Termodynamické zákony sú dôležitými zjednocujúcimi princípmi biológie. Tieto princípy riadia chemické procesy (metabolizmus) vo všetkých biologických organizmoch. Prvý termodynamický zákon, známy tiež ako zákon o úspore energie, uvádza, že energiu nemožno vytvárať ani ničiť. Môže sa zmeniť z jednej formy na inú, ale energia v uzavretom systéme zostáva konštantný.
Druhý termodynamický zákon uvádza, že keď sa energia prenáša, bude na konci procesu prenosu k dispozícii menej energie ako na začiatku. Vďaka entropii, ktorá je mierou poruchy v uzavretom systéme, nebude všetka dostupná energia pre organizmus užitočná. Entropia sa zvyšuje s prenosom energie.
Teória buniek, teória génov, evolúcia a homeostáza tvoria okrem zákonov termodynamiky základné princípy, ktoré sú základom pre štúdium života.
Prvý zákon termodynamiky v biologických systémoch
Všetky biologické organizmy potrebujú energiu na prežitie. V uzavretom systéme, akým je napríklad vesmír, táto energia nie je spotrebovaná, ale transformovaná z jednej formy do druhej. Napríklad bunky vykonávajú množstvo dôležitých procesov. Tieto procesy vyžadujú energiu. v
fotosyntéza, energia je dodávaná slnkom. Svetelná energia je absorbovaná bunkami v listoch rastlín a konvertovaná na chemickú energiu. Chemická energia sa ukladá vo forme glukózy, ktorá sa používa na vytváranie komplexných uhľohydrátov potrebných na vybudovanie rastlinnej hmoty.Energia uložená v glukóze sa môže uvoľňovať aj prostredníctvom bunkového dýchania. Tento proces umožňuje rastlinným a živočíšnym organizmom prístup k energii uloženej v uhľohydrátoch, lipidoch a iných makromolekulách prostredníctvom výroby ATP. Táto energia je potrebná na vykonávanie bunkových funkcií, ako je replikácia DNA, mitóza, meióza, pohyb buniek, endocytóza, exocytóza a apoptóza.
Druhý termodynamický zákon v biologických systémoch
Rovnako ako v prípade iných biologických procesov nie je prenos energie 100% efektívny. Napríklad pri fotosyntéze nie je rastlina absorbovaná všetka svetelná energia. Niektoré energie sa odrážajú a niektoré sa strácajú ako teplo. Strata energie do okolitého prostredia vedie k zvýšeniu poruchy alebo entropie. Na rozdiel od rastlín a iných fotosyntetických organizmov nemôžu zvieratá generovať energiu priamo zo slnečného svetla. Musia spotrebovávať rastliny alebo iné živočíšne organizmy na energiu.
Čím vyšší je organizmus v potravinovom reťazci, tým menej energie má k dispozícii zo svojich potravinových zdrojov. Veľká časť tejto energie sa stráca počas metabolických procesov, ktoré konzumujú výrobcovia a prví spotrebitelia. Preto je pre organizmy na vyšších trofických úrovniach k dispozícii oveľa menej energie. (Trofické úrovne sú skupiny, ktoré pomáhajú ekológom porozumieť špecifickej úlohe všetkých živých vecí v ekosystéme.) Čím nižšia je dostupná energia, tým menší počet organizmov môže byť podporený. Z tohto dôvodu je v ekosystéme viac výrobcov ako spotrebiteľov.
Živé systémy vyžadujú stály prísun energie, aby si udržali svoj vysoko usporiadaný stav. Napríklad bunky sú vysoko usporiadané a majú nízku entropiu. Pri udržiavaní tohto poriadku sa nejaká energia stráca do okolia alebo sa transformuje. Takže keď sú bunky usporiadané, procesy uskutočňované na udržanie tohto poriadku vedú k zvýšeniu entropie v okolí bunky / organizmu. Prenos energie spôsobuje zvýšenie entropie vo vesmíre.