Zakoni termodinamike važni su objedinjujući principi biologija. Ova načela upravljaju kemijskim procesima (metabolizmom) u svim biološkim organizmima. Prvi zakon termodinamike, poznat i kao zakon očuvanja energije, navodi da se energija ne može stvoriti niti uništiti. Može se mijenjati iz jednog oblika u drugi, ali energije u zatvorenom sustavu ostaje konstantna.
Drugi zakon termodinamike kaže da će, kad se energija prenosi, na kraju prijenosa biti manje dostupne energije nego na početku. Zbog entropije, koja je mjera poremećaja u zatvorenom sustavu, sva raspoloživa energija neće biti korisna organizmu. Entropija se povećava kako se energija prenosi.
Pored zakona termodinamike, teorija stanica, teorija gena, evolucija i homeostaza čine osnovna načela koja su temelj za proučavanje života.
Prvi zakon termodinamike u biološkim sustavima
Svi biološki organizmi trebaju energiju za opstanak. U zatvorenom sustavu, kakav je svemir, ta se energija ne troši, već se pretvara iz jednog oblika u drugi. Na primjer, stanice izvode brojne važne procese. Ti procesi zahtijevaju energiju. U
fotosinteza, energiju daje sunce. Svjetlosnu energiju apsorbiraju stanice u lišću biljke i pretvaraju u kemijsku energiju. Kemijska energija se pohranjuje u obliku glukoze koja se koristi za stvaranje složenih ugljikohidrata potrebnih za izgradnju biljne mase.Energija pohranjena u glukozi može se također osloboditi staničnim disanjem. Ovaj proces omogućava biljnim i životinjskim organizmima pristup energiji pohranjenoj u ugljikohidratima, lipidima i drugim makromolekulama kroz proizvodnju ATP-a. Ta energija potrebna je za obavljanje staničnih funkcija kao što su replikacija DNK, mitoza, mejoza, stanični pokret, endocitoza, egzocitoza i apoptoza.
Drugi zakon termodinamike u biološkim sustavima
Kao i kod drugih bioloških procesa, prijenos energije nije 100 posto učinkovit. Na primjer, u fotosintezi biljka ne apsorbira svu svjetlosnu energiju. Neki se energiju reflektiraju, a neki se gube kao toplina. Gubitak energije u okruženju uzrokuje porast poremećaja ili entropije. Za razliku od biljaka i drugih fotosintetskih organizama, životinje ne mogu stvarati energiju izravno iz sunčeve svjetlosti. Za energiju moraju konzumirati biljke ili druge životinjske organizme.
Što je organizam viši u hranidbenom lancu, to je manje dostupne energije koju dobiva iz svojih izvora hrane. Veliki dio ove energije gubi se tijekom metaboličkih procesa koje provode proizvođači i primarni potrošači koji su jedu. Stoga je za organizme na višim trofičkim razinama dostupno mnogo manje energije. (Trofičke razine su skupine koje pomažu ekolozima da razumiju specifičnu ulogu svih živih bića u ekosustavu.) Što je niža raspoloživa energija, to se manje može podržati broj organizama. Zbog toga u ekosustavu ima više proizvođača nego potrošača.
Živi sustavi zahtijevaju stalan unos energije da bi održali svoje visoko uređeno stanje. Na primjer, stanice su visoko naručene i imaju nisku entropiju. U procesu održavanja ovog reda gubi se nešto energije u okolini ili se transformira. Dakle, dok su stanice naručene, postupci koji se održavaju za održavanje tog reda rezultiraju povećanjem entropije u okruženju stanice / organizma. Prijenos energije uzrokuje povećanje entropije u svemiru.