Lovene om termodynamikk er viktige samlende prinsipper for biologi. Disse prinsippene styrer de kjemiske prosessene (metabolisme) i alle biologiske organismer. Den første termodynamikkloven, også kjent som lov om bevaring av energi, slår fast at energi verken kan skapes eller ødelegges. Det kan endre seg fra en form til en annen, men energi i et lukket system forblir konstant.
Den andre loven om termodynamikk sier at når energi overføres, vil det være mindre energi tilgjengelig på slutten av overføringsprosessen enn i begynnelsen. På grunn av entropi, som er målet for forstyrrelse i et lukket system, vil all den tilgjengelige energien ikke være nyttig for organismen. Entropi øker når energi overføres.
I tillegg til termodynamikkens lover, danner celleteorien, genteorien, evolusjonen og homeostasen de grunnleggende prinsippene som er grunnlaget for studiet av livet.
Første lov om termodynamikk i biologiske systemer
Alle biologiske organismer krever energi for å overleve. I et lukket system, for eksempel universet, forbrukes ikke denne energien, men transformeres fra en form til en annen. Celler utfører for eksempel en rekke viktige prosesser. Disse prosessene krever energi. I
fotosyntese, energien tilføres av solen. Lysenergi blir absorbert av celler i planteblader og konvertert til kjemisk energi. Den kjemiske energien lagres i form av glukose, som brukes til å danne komplekse karbohydrater som er nødvendige for å bygge plantemasse.Energien lagret i glukose kan også frigjøres gjennom cellulær respirasjon. Denne prosessen lar plante- og dyreorganismer få tilgang til energien som er lagret i karbohydrater, lipider og andre makromolekyler gjennom produksjon av ATP. Denne energien er nødvendig for å utføre cellefunksjoner som DNA-replikasjon, mitose, meiose, cellebevegelse, endocytose, eksocytose og apoptose.
Andre lov om termodynamikk i biologiske systemer
Som med andre biologiske prosesser er energioverføringen ikke 100 prosent effektiv. I fotosyntesen blir for eksempel ikke all lysenergi absorbert av planten. Noe energi reflekteres og noen går tapt som varme. Tapet av energi til omgivelsene resulterer i en økning av forstyrrelse eller entropi. I motsetning til planter og andre fotosyntetiske organismer, kan ikke dyr generere energi direkte fra sollyset. De må konsumere planter eller andre dyreorganismer for energi.
Jo høyere opp en organisme befinner seg i næringskjeden, jo mindre tilgjengelig energi får den fra matkildene. Mye av denne energien går tapt under metabolske prosesser utført av produsenter og primærforbrukere som blir spist. Derfor er mye mindre energi tilgjengelig for organismer på høyere trofiske nivåer. (Trofiske nivåer er grupper som hjelper økologer til å forstå den spesifikke rollen til alle levende ting i økosystemet.) Jo lavere den tilgjengelige energien er, jo mindre antall organismer kan støttes. Dette er grunnen til at det er flere produsenter enn forbrukere i et økosystem.
Levende systemer krever konstant energiinngang for å opprettholde sin høyt ordnede tilstand. Celler er for eksempel høyt bestilt og har lav entropi. I prosessen med å opprettholde denne ordenen går tapt litt energi til omgivelsene eller transformert. Så mens celler er bestilt, resulterer prosessene som utføres for å opprettholde den ordren, en økning i entropi i celle / organismens omgivelser. Overføringen av energi får entropien i universet til å øke.