Las leyes de la termodinámica son principios unificadores importantes de biología. Estos principios rigen los procesos químicos (metabolismo) en todos los organismos biológicos. La primera ley de la termodinámica, también conocida como la ley de la conservación de la energía, afirma que la energía no se puede crear ni destruir. Puede cambiar de una forma a otra, pero el energía en un sistema cerrado permanece constante.
La segunda ley de la termodinámica establece que cuando se transfiere energía, habrá menos energía disponible al final del proceso de transferencia que al principio. Debido a la entropía, que es la medida del trastorno en un sistema cerrado, toda la energía disponible no será útil para el organismo. La entropía aumenta a medida que se transfiere energía.
Además de las leyes de la termodinámica, la teoría celular, la teoría génica, la evolución y la homeostasis forman los principios básicos que son la base para el estudio de la vida.
Primera ley de la termodinámica en sistemas biológicos
Todos los organismos biológicos requieren energía para sobrevivir. En un sistema cerrado, como el universo, esta energía no se consume sino que se transforma de una forma a otra. Las células, por ejemplo, realizan una serie de procesos importantes. Estos procesos requieren energía. En fotosíntesis, la energía es suministrada por el sol. La energía de la luz es absorbida por las células en las hojas de las plantas y convertida en energía química. La energía química se almacena en forma de glucosa, que se utiliza para formar los carbohidratos complejos necesarios para construir la masa de la planta.
La energía almacenada en la glucosa también se puede liberar a través de la respiración celular. Este proceso permite a los organismos vegetales y animales acceder a la energía almacenada en carbohidratos, lípidos y otras macromoléculas a través de la producción de ATP. Esta energía es necesaria para realizar funciones celulares como la replicación del ADN, mitosis, meiosis, movimiento celular, endocitosis, exocitosis y apoptosis.
Segunda ley de la termodinámica en sistemas biológicos
Al igual que con otros procesos biológicos, la transferencia de energía no es 100 por ciento eficiente. En la fotosíntesis, por ejemplo, no toda la energía de la luz es absorbida por la planta. Se refleja algo de energía y parte se pierde como calor. La pérdida de energía en el entorno circundante provoca un aumento del desorden o la entropía. A diferencia de las plantas y otros organismos fotosintéticos, los animales no pueden generar energía directamente de la luz solar. Deben consumir plantas u otros organismos animales para obtener energía.
Cuanto más arriba está un organismo en la cadena alimentaria, menos energía disponible recibe de sus fuentes de alimentos. Gran parte de esta energía se pierde durante los procesos metabólicos realizados por los productores y consumidores primarios que se comen. Por lo tanto, hay mucha menos energía disponible para los organismos a niveles tróficos más altos. (Los niveles tróficos son grupos que ayudan a los ecologistas a comprender el papel específico de todos los seres vivos en el ecosistema). Cuanto menor es la energía disponible, menos cantidad de organismos puede ser compatible. Es por eso que hay más productores que consumidores en un ecosistema.
Los sistemas vivos requieren un aporte de energía constante para mantener su estado altamente ordenado. Las células, por ejemplo, están altamente ordenadas y tienen baja entropía. En el proceso de mantener este orden, se pierde algo de energía en el entorno o se transforma. Entonces, mientras se ordenan las células, los procesos realizados para mantener ese orden dan como resultado un aumento de la entropía en el entorno de la célula / organismo. La transferencia de energía hace que aumente la entropía en el universo.