Elävän solun päätehtävät, jotka liittyvät energian hankkimiseen, muuntamiseen ja käyttämiseen työn tekemiseen, saattavat vaikuttaa yksinkertaisilta. Termodynamiikan toinen laki kuitenkin selittää, miksi nämä tehtävät ovat vaikeampia kuin miltä ne näyttävät. Mikään käsittelemistämme energiansiirroista, samoin kuin kaikki maailmankaikkeuden energiansiirrot ja -muuntumiset, ei ole täysin tehokasta. Jokaisessa energiansiirrossa menetetään jonkin verran energiaa käyttökelvottomassa muodossa. Useimmissa tapauksissa tämä muoto on lämpöenergia. Termodynaamisesti lämpöenergia määritellään järjestelmästä toiseen siirrettäväksi energiaksi, joka ei tee työtä. Esimerkiksi kun lentokone lentää ilmassa, osa lentokoneen energiasta häviää lämpöenergiana ympäröivän ilman aiheuttaman kitkan vuoksi. Tämä kitka itse asiassa lämmittää ilmaa lisäämällä tilapäisesti ilmamolekyylien nopeutta. Samoin osa energiasta häviää lämpöenergiana solujen aineenvaihduntareaktioiden aikana. Tämä on hyvä asia meidän kaltaisille lämminverisille olennoille, koska lämpöenergia auttaa ylläpitämään ruumiinlämpöä. Tarkkaan ottaen mikään energiansiirto ei ole täysin tehokasta, koska osa energiasta häviää käyttökelvottomassa muodossa.

Kuva 1. Entropia on systeemin satunnaisuuden tai epäjärjestyksen mitta. Kaasuilla on suurempi entropia kuin nesteillä ja nesteillä suurempi entropia kuin kiinteillä aineilla.

Fysikaalisissa järjestelmissä tärkeä käsite on järjestys ja epäjärjestys (tunnetaan myös nimellä satunnaisuus). Mitä enemmän energiaa systeemi menettää ympäristöönsä, sitä epäjärjestyneempi ja satunnaisempi systeemi on. Tutkijat kutsuvat järjestelmän satunnaisuuden tai epäjärjestyksen mittausta entropiaksi. Korkea entropia tarkoittaa suurta epäjärjestystä ja vähäistä energiaa (kuva 1). Jotta ymmärtäisit entropiaa paremmin, ajattele opiskelijan makuuhuonetta. Jos siihen ei panostettaisi energiaa tai työtä, huoneesta tulisi nopeasti sotkuinen. Se olisi hyvin epäjärjestyksessä, korkean entropian tilassa. Systeemiin on tuotava energiaa siten, että opiskelija tekee työtä ja laittaa kaiken pois, jotta huone saataisiin takaisin siistiin ja järjestykseen. Tämä tila on matalan entropian tila. Vastaavasti autoa tai taloa on ylläpidettävä jatkuvasti tekemällä työtä, jotta se pysyy järjestyksessä. Jos talo tai auto jätetään yksin, sen entropia kasvaa vähitellen ruostumisen ja hajoamisen myötä. Myös molekyyleillä ja kemiallisilla reaktioilla on vaihteleva määrä entropiaa. Esimerkiksi kemiallisten reaktioiden saavuttaessa tasapainotilan entropia kasvaa, ja kun yhdessä paikassa suurina pitoisuuksina olevat molekyylit diffundoituvat ja leviävät, myös entropia kasvaa.

Kaikki fysikaaliset systeemit voidaan ajatella tällä tavalla: Elävät olennot ovat erittäin järjestäytyneitä, ja ne vaativat jatkuvaa energian syöttöä, jotta ne pysyisivät alhaisen entropian tilassa. Kun elävät järjestelmät ottavat energiaa varastoivia molekyylejä ja muuttavat niitä kemiallisten reaktioiden kautta, ne menettävät prosessissa jonkin verran käyttökelpoista energiaa, koska mikään reaktio ei ole täysin tehokas. Ne tuottavat myös jätettä ja sivutuotteita, jotka eivät ole hyödyllisiä energianlähteitä. Tämä prosessi lisää järjestelmän ympäristön entropiaa. Koska kaikissa energiansiirroissa menetetään jonkin verran käyttökelpoista energiaa, termodynamiikan toisen lain mukaan jokainen energiansiirto tai -muutos lisää maailmankaikkeuden entropiaa. Vaikka elävät olennot ovat hyvin järjestäytyneitä ja säilyttävät alhaisen entropian tilan, maailmankaikkeuden kokonaisentropia kasvaa jatkuvasti, koska käyttökelpoista energiaa menetetään jokaisen tapahtuvan energiansiirron yhteydessä. Pohjimmiltaan elävät olennot käyvät jatkuvaa ylämäkikamppailua tätä universumin entropian jatkuvaa kasvua vastaan.

Kirjoita!

Paranna tätä sivuaOpi lisää