Gesetze der Thermodynamik in Bezug auf die Biologie

Die Gesetze der Thermodynamik sind wichtige verbindende Prinzipien der Biologie. Diese Prinzipien regeln die chemischen Prozesse (Stoffwechsel) in allen biologischen Organismen. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch als Energieerhaltungssatz bekannt, besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Es kann sich von einer Form zur anderen ändern, aber die Energie in einem geschlossenen System bleibt konstant.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass bei der Übertragung von Energie am Ende des Übertragungsprozesses weniger Energie zur Verfügung steht als zu Beginn. Aufgrund der Entropie, die das Maß für die Störung in einem geschlossenen System ist, wird die gesamte verfügbare Energie für den Organismus nicht nützlich sein. Die Entropie nimmt zu, wenn Energie übertragen wird.

Neben den Gesetzen der Thermodynamik bilden Zelltheorie, Gentheorie, Evolution und Homöostase die Grundprinzipien, die die Grundlage für das Studium des Lebens bilden.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik in biologischen Systemen

Alle biologischen Organismen benötigen Energie, um zu überleben. In einem geschlossenen System wie dem Universum wird diese Energie nicht verbraucht, sondern von einer Form in eine andere umgewandelt. Zellen führen zum Beispiel eine Reihe wichtiger Prozesse aus. Diese Prozesse benötigen Energie. Bei der Photosynthese wird die Energie von der Sonne geliefert. Lichtenergie wird von Zellen in Pflanzenblättern absorbiert und in chemische Energie umgewandelt. Die chemische Energie wird in Form von Glukose gespeichert, die zur Bildung komplexer Kohlenhydrate verwendet wird, die zum Aufbau von Pflanzenmasse erforderlich sind.

Die in Glucose gespeicherte Energie kann auch durch Zellatmung freigesetzt werden. Dieser Prozess ermöglicht es pflanzlichen und tierischen Organismen, durch die Produktion von ATP auf die in Kohlenhydraten, Lipiden und anderen Makromolekülen gespeicherte Energie zuzugreifen. Diese Energie wird benötigt, um Zellfunktionen wie DNA-Replikation, Mitose, Meiose, Zellbewegung, Endozytose, Exozytose und Apoptose auszuführen.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik in biologischen Systemen

Wie bei anderen biologischen Prozessen ist die Energieübertragung nicht zu 100 Prozent effizient. Beispielsweise wird bei der Photosynthese nicht die gesamte Lichtenergie von der Pflanze absorbiert. Ein Teil der Energie wird reflektiert und ein Teil geht als Wärme verloren. Der Energieverlust an die Umgebung führt zu einer Zunahme von Störungen oder Entropie. Im Gegensatz zu Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen können Tiere keine Energie direkt aus dem Sonnenlicht gewinnen. Sie müssen Pflanzen oder andere tierische Organismen zur Energiegewinnung konsumieren.

Je höher ein Organismus in der Nahrungskette ist, desto weniger verfügbare Energie erhält er aus seinen Nahrungsquellen. Ein Großteil dieser Energie geht bei Stoffwechselprozessen verloren, die von den Produzenten und Primärkonsumenten ausgeführt werden, die gegessen werden. Daher steht Organismen auf höheren trophischen Ebenen viel weniger Energie zur Verfügung. (Trophäenstufen sind Gruppen, die den Ökologen helfen, die spezifische Rolle aller Lebewesen im Ökosystem zu verstehen.) Je geringer die verfügbare Energie, desto weniger Organismen können unterstützt werden. Aus diesem Grund gibt es in einem Ökosystem mehr Produzenten als Verbraucher.

Lebende Systeme benötigen konstanten Energieeinsatz, um ihren hochgeordneten Zustand zu erhalten. Zellen zum Beispiel sind hochgeordnet und haben eine niedrige Entropie. Bei der Aufrechterhaltung dieser Ordnung geht ein Teil der Energie an die Umgebung verloren oder wird umgewandelt. Während die Zellen geordnet sind, führen die Prozesse zur Aufrechterhaltung dieser Ordnung zu einer Zunahme der Entropie in der Umgebung der Zelle / des Organismus. Durch die Energieübertragung nimmt die Entropie im Universum zu.