Các định luật nhiệt động lực học là những nguyên tắc thống nhất quan trọng của sinh học . Những nguyên tắc này chi phối các quá trình hóa học (trao đổi chất) trong tất cả các sinh vật. Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, còn được gọi là định luật bảo toàn năng lượng , phát biểu rằng năng lượng không thể tự sinh ra hoặc mất đi. Nó có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng năng lượng trong một hệ kín không đổi.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng khi năng lượng được truyền đi, năng lượng có sẵn ở cuối quá trình truyền sẽ ít hơn so với lúc đầu. Do entropy, thước đo mức độ rối loạn trong một hệ thống khép kín, tất cả năng lượng có sẵn sẽ không hữu ích cho sinh vật. Entropy tăng khi năng lượng được truyền đi.
Ngoài các định luật nhiệt động lực học, lý thuyết tế bào, lý thuyết gen, sự tiến hóa và cân bằng nội môi tạo thành các nguyên tắc cơ bản làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự sống.
Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học trong các hệ thống sinh học
Tất cả các sinh vật sinh học cần năng lượng để tồn tại. Trong một hệ thống khép kín, chẳng hạn như vũ trụ, năng lượng này không bị tiêu hao mà chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Ví dụ, các tế bào thực hiện một số quy trình quan trọng. Các quá trình này cần năng lượng. Trong quang hợp , năng lượng được cung cấp bởi mặt trời. Năng lượng ánh sáng được các tế bào trong lá cây hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Năng lượng hóa học được lưu trữ dưới dạng glucose, được sử dụng để tạo thành carbohydrate phức tạp cần thiết để xây dựng khối lượng thực vật.
Năng lượng được lưu trữ trong glucose cũng có thể được giải phóng thông qua quá trình hô hấp tế bào. Quá trình này cho phép các sinh vật thực vật và động vật tiếp cận năng lượng được lưu trữ trong carbohydrate, lipid và các đại phân tử khác thông qua việc sản xuất ATP. Năng lượng này là cần thiết để thực hiện các chức năng của tế bào như sao chép DNA, nguyên phân, giảm phân, di chuyển tế bào, endocytosis, exocytosis và apoptosis.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học trong các hệ thống sinh học
Cũng như các quá trình sinh học khác, việc truyền năng lượng không hiệu quả 100%. Ví dụ, trong quá trình quang hợp, không phải tất cả năng lượng ánh sáng đều được thực vật hấp thụ. Một số năng lượng được phản xạ và một số bị mất dưới dạng nhiệt. Sự thất thoát năng lượng ra môi trường xung quanh dẫn đến sự gia tăng mất trật tự hoặc entropy. Không giống như thực vật và các sinh vật quang hợp khác, động vật không thể tạo ra năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Chúng phải tiêu thụ thực vật hoặc các sinh vật động vật khác để lấy năng lượng.
Một sinh vật càng ở vị trí cao hơn trong chuỗi thức ăn thì càng nhận được ít năng lượng hơn từ các nguồn thức ăn của nó. Phần lớn năng lượng này bị mất trong quá trình trao đổi chất được thực hiện bởi các nhà sản xuất chính và người tiêu dùng được ăn. Do đó, có ít năng lượng hơn cho các sinh vật ở bậc dinh dưỡng cao hơn. (Cấp độ danh hiệu là các nhóm giúp các nhà sinh thái học hiểu được vai trò cụ thể của tất cả các sinh vật sống trong hệ sinh thái.) Càng ít năng lượng, số lượng sinh vật có thể duy trì càng ít. Đó là lý do tại sao có nhiều nhà sản xuất hơn người tiêu dùng trong một hệ sinh thái.
Các hệ thống sống đòi hỏi một đầu vào năng lượng liên tục để duy trì trạng thái có trật tự cao của chúng. Ví dụ, các tế bào có trật tự cao và có entropy thấp. Trong quá trình duy trì trật tự này, một phần năng lượng bị thất thoát ra môi trường hoặc chuyển hóa. Vì vậy, trong khi các tế bào được sắp xếp theo thứ tự, các quá trình được thực hiện để duy trì trật tự đó dẫn đến sự gia tăng entropy trong môi trường của tế bào/sinh vật. Sự truyền năng lượng làm cho entropy trong vũ trụ tăng lên.
