熱力学の法則は、生物学の重要な統一原理です。これらの原則は、すべての生物の化学プロセス (代謝) を支配しています。エネルギー保存の法則としても知られる熱力学の第一法則は、エネルギーは生成も破壊もされないと述べています。ある形から別の形に変化する可能性がありますが、閉じたシステムのエネルギーは一定のままです.
熱力学の第 2 法則は、エネルギーが伝達されるとき、伝達プロセスの最後に利用できるエネルギーが最初よりも少なくなると述べています。エントロピーは閉鎖系の無秩序の尺度であり、利用可能なエネルギーのすべてが生物にとって役に立たない.エネルギーが移動するとエントロピーが増加します。
熱力学の法則に加えて、細胞理論、遺伝子理論、進化、ホメオスタシスが、生命研究の基礎となる基本原理を形成しています。
生体系における熱力学の第一法則
すべての生物は生きていくためにエネルギーを必要とします。宇宙などの閉鎖系では、このエネルギーは消費されず、ある形から別の形に変換されます。たとえば、細胞は多くの重要なプロセスを実行します。これらのプロセスにはエネルギーが必要です。光合成では、エネルギーは太陽から供給されます。光エネルギーは植物の葉の細胞に吸収され、化学エネルギーに変換されます。化学エネルギーはブドウ糖の形で保存され、植物体を構築するために必要な複雑な炭水化物を形成するために使用されます.
グルコースに蓄えられたエネルギーは、細胞呼吸によっても放出されます。このプロセスにより、植物や動物の生物は、ATP の生成を通じて、炭水化物、脂質、およびその他の高分子に蓄えられたエネルギーにアクセスできるようになります。このエネルギーは、DNA 複製、有糸分裂、減数分裂、細胞運動、エンドサイトーシス、エキソサイトーシス、アポトーシスなどの細胞機能を実行するために必要です。
生体系における熱力学第二法則
他の生物学的プロセスと同様に、エネルギーの伝達は 100% 効率的ではありません。たとえば、光合成では、すべての光エネルギーが植物に吸収されるわけではありません。エネルギーの一部は反射され、一部は熱として失われます。周囲の環境へのエネルギーの損失は、無秩序またはエントロピーの増加をもたらします。植物や他の光合成生物とは異なり、動物は太陽光から直接エネルギーを生成することはできません。彼らはエネルギーのために植物や他の動物を消費しなければなりません.
生物が食物連鎖の上位に位置するほど、食物源から受け取るエネルギーが少なくなります。このエネルギーの多くは、食べられる生産者と一次消費者によって実行される代謝プロセス中に失われます。したがって、より高い栄養レベルの生物が利用できるエネルギーははるかに少なくなります。 (栄養段階は、生態学者が生態系におけるすべての生物の特定の役割を理解するのに役立つグループです。) 利用可能なエネルギーが低いほど、サポートできる生物の数が少なくなります。これが、エコシステムで消費者より生産者のほうが多い理由です。
生体系は、高度に秩序化された状態を維持するために一定のエネルギー入力を必要とします。たとえば、細胞は高度に秩序化されており、エントロピーは低くなっています。この秩序を維持する過程で、一部のエネルギーが周囲に失われたり、変換されたりします。そのため、細胞が秩序化されている間、その秩序を維持するために実行されるプロセスにより、細胞/生物の周囲のエントロピーが増加します。エネルギーの移動により、宇宙のエントロピーが増加します。
