As leis da termodinâmica são importantes princípios unificadores da biologia. Esses princípios governam os processos químicos (metabolismo) em todos os organismos biológicos. A Primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como lei de conservação de energia, afirma que a energia não pode ser criada nem destruída. Pode mudar de uma forma para outra, mas o energia em um sistema fechado permanece constante.
A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que, quando a energia é transferida, haverá menos energia disponível no final do processo de transferência do que no início. Devido à entropia, que é a medida da desordem em um sistema fechado, toda a energia disponível não será útil para o organismo. A entropia aumenta à medida que a energia é transferida.
Além das leis da termodinâmica, a teoria das células, a teoria dos genes, a evolução e a homeostase formam os princípios básicos que são a base do estudo da vida.
Primeira Lei da Termodinâmica em Sistemas Biológicos
Todos os organismos biológicos requerem energia para sobreviver. Em um sistema fechado, como o universo, essa energia não é consumida, mas transformada de uma forma para outra. As células, por exemplo, executam vários processos importantes. Esses processos requerem energia. Dentro
fotossíntese, a energia é fornecida pelo sol. A energia luminosa é absorvida pelas células nas folhas das plantas e convertida em energia química. A energia química é armazenada na forma de glicose, que é usada para formar carboidratos complexos necessários para criar massa vegetal.A energia armazenada na glicose também pode ser liberada através da respiração celular. Esse processo permite que organismos vegetais e animais acessem a energia armazenada em carboidratos, lipídios e outras macromoléculas através da produção de ATP. Essa energia é necessária para executar funções celulares, como replicação do DNA, mitose, meiose, movimento celular, endocitose, exocitose e apoptose.
Segunda Lei da Termodinâmica em Sistemas Biológicos
Como em outros processos biológicos, a transferência de energia não é 100% eficiente. Na fotossíntese, por exemplo, nem toda a energia luminosa é absorvida pela planta. Alguma energia é refletida e outra é perdida como calor. A perda de energia para o ambiente circundante resulta em um aumento de desordem ou entropia. Ao contrário de plantas e outros organismos fotossintéticos, os animais não podem gerar energia diretamente da luz solar. Eles devem consumir plantas ou outros organismos animais para obter energia.
Quanto mais alto o organismo está na cadeia alimentar, menos energia disponível ele recebe de suas fontes alimentares. Grande parte dessa energia é perdida durante os processos metabólicos realizados pelos produtores e consumidores principais que são consumidos. Portanto, muito menos energia está disponível para organismos em níveis tróficos mais altos. (Níveis tróficos são grupos que ajudam os ecologistas a entender o papel específico de todos os seres vivos no ecossistema.) Quanto menor a energia disponível, menor número de organismos pode ser apoiado. É por isso que existem mais produtores do que consumidores em um ecossistema.
Os sistemas vivos requerem entrada constante de energia para manter seu estado altamente ordenado. As células, por exemplo, são altamente ordenadas e têm baixa entropia. No processo de manutenção dessa ordem, alguma energia é perdida para o ambiente ou transformada. Assim, enquanto as células são ordenadas, os processos executados para manter essa ordem resultam em um aumento da entropia no ambiente da célula / organismo. A transferência de energia faz com que a entropia no universo aumente.