Les lois de la thermodynamique sont des principes unificateurs importants de la biologie. Ces principes régissent les processus chimiques (métabolisme) dans tous les organismes biologiques. La première loi de la thermodynamique, également connue sous le nom de loi de conservation de l'énergie, déclare que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Il peut changer d'une forme à une autre, mais l'énergie dans un système fermé reste constant.
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que lorsque l'énergie est transférée, il y aura moins d'énergie disponible à la fin du processus de transfert qu'au début. En raison de l'entropie, qui est la mesure du désordre dans un système fermé, toute l'énergie disponible ne sera pas utile à l'organisme. L'entropie augmente à mesure que l'énergie est transférée.
En plus des lois de la thermodynamique, la théorie cellulaire, la théorie des gènes, l'évolution et l'homéostasie forment les principes de base qui sont le fondement de l'étude de la vie.
Première loi de la thermodynamique dans les systèmes biologiques
Tous les organismes biologiques ont besoin d'énergie pour survivre. Dans un système fermé, comme l'univers, cette énergie n'est pas consommée mais transformée d'une forme à une autre. Les cellules, par exemple, effectuent un certain nombre de processus importants. Ces processus nécessitent de l'énergie. Dans photosynthèse, l'énergie est fournie par le soleil. L'énergie lumineuse est absorbée par les cellules des feuilles des plantes et convertie en énergie chimique. L'énergie chimique est stockée sous forme de glucose, qui est utilisé pour former les glucides complexes nécessaires à la construction de la masse végétale.
L'énergie stockée dans le glucose peut également être libérée par la respiration cellulaire. Ce processus permet aux organismes végétaux et animaux d'accéder à l'énergie stockée dans les glucides, les lipides et d'autres macromolécules grâce à la production d'ATP. Cette énergie est nécessaire pour effectuer des fonctions cellulaires telles que la réplication de l'ADN, la mitose, la méiose, le mouvement cellulaire, l'endocytose, l'exocytose et l'apoptose.
Deuxième loi de la thermodynamique dans les systèmes biologiques
Comme pour les autres processus biologiques, le transfert d'énergie n'est pas efficace à 100%. Dans la photosynthèse, par exemple, toute l'énergie lumineuse n'est pas absorbée par la plante. Une partie de l'énergie est réfléchie et une partie est perdue sous forme de chaleur. La perte d'énergie dans l'environnement environnant entraîne une augmentation des troubles ou de l'entropie. Contrairement aux plantes et autres organismes photosynthétiques, les animaux ne peuvent pas générer d'énergie directement à partir de la lumière du soleil. Ils doivent consommer des plantes ou d'autres organismes animaux pour l'énergie.
Plus un organisme est haut dans la chaîne alimentaire, moins il dispose d'énergie disponible de ses sources alimentaires. Une grande partie de cette énergie est perdue au cours des processus métaboliques effectués par les producteurs et les consommateurs primaires qui sont consommés. Par conséquent, beaucoup moins d'énergie est disponible pour les organismes à des niveaux trophiques supérieurs. (Les niveaux trophiques sont des groupes qui aident les écologistes à comprendre le rôle spécifique de tous les êtres vivants dans l'écosystème.) Plus l'énergie disponible est faible, moins le nombre d'organismes peut être soutenu. C'est pourquoi il y a plus de producteurs que de consommateurs dans un écosystème.
Les systèmes vivants nécessitent un apport d'énergie constant pour maintenir leur état hautement ordonné. Les cellules, par exemple, sont très ordonnées et ont une faible entropie. Dans le processus de maintien de cet ordre, une partie de l'énergie est perdue dans l'environnement ou transformée. Ainsi, alors que les cellules sont ordonnées, les processus effectués pour maintenir cet ordre entraînent une augmentation de l'entropie dans l'environnement de la cellule / de l'organisme. Le transfert d'énergie fait augmenter l'entropie dans l'univers.