Les tâches principales d’une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser l’énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. Cependant, la deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu’il n’y paraît. Aucun des transferts d’énergie dont nous avons parlé, ainsi que tous les transferts et transformations d’énergie dans l’univers, n’est totalement efficace. Dans chaque transfert d’énergie, une certaine quantité d’énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l’énergie thermique. D’un point de vue thermodynamique, l’énergie thermique est définie comme l’énergie transférée d’un système à un autre qui ne fait pas de travail. Par exemple, lorsqu’un avion vole dans l’air, une partie de l’énergie de l’avion en vol est perdue sous forme d’énergie thermique en raison de la friction avec l’air environnant. Cette friction réchauffe en fait l’air en augmentant temporairement la vitesse des molécules d’air. De même, une partie de l’énergie est perdue sous forme d’énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires. C’est une bonne chose pour les créatures à sang chaud comme nous, car l’énergie thermique nous aide à maintenir notre température corporelle. Strictement parlant, aucun transfert d’énergie n’est complètement efficace, car une partie de l’énergie est perdue sous une forme inutilisable.

Figure 1. L’entropie est une mesure du caractère aléatoire ou du désordre dans un système. Les gaz ont une entropie plus élevée que les liquides, et les liquides ont une entropie plus élevée que les solides.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui de l’ordre et du désordre (également appelé aléatoire). Plus l’énergie perdue par un système dans son environnement est importante, moins le système est ordonné et plus il est aléatoire. Les scientifiques appellent entropie la mesure du caractère aléatoire ou du désordre d’un système. Une entropie élevée signifie un désordre important et une faible énergie (figure 1). Pour mieux comprendre l’entropie, pensez à la chambre d’un élève. Si l’on n’y mettait pas d’énergie ou de travail, la chambre deviendrait rapidement désordonnée. Elle existerait dans un état très désordonné, d’entropie élevée. Pour que la chambre retrouve son état de propreté et d’ordre, il faut que de l’énergie soit injectée dans le système, c’est-à-dire que l’élève travaille et range tout. Cet état est celui d’une entropie faible. De même, une voiture ou une maison doit être constamment entretenue par du travail afin de la maintenir dans un état ordonné. Laissée à elle-même, l’entropie de la maison ou de la voiture augmente progressivement par la rouille et la dégradation. Les molécules et les réactions chimiques présentent également des niveaux d’entropie variables. Par exemple, lorsque les réactions chimiques atteignent un état d’équilibre, l’entropie augmente, et lorsque les molécules à forte concentration dans un endroit se diffusent et se répandent, l’entropie augmente également.

Tous les systèmes physiques peuvent être considérés de cette manière : Les êtres vivants sont très ordonnés et nécessitent un apport constant d’énergie pour être maintenus dans un état de faible entropie. Lorsque les systèmes vivants absorbent des molécules stockant de l’énergie et les transforment par des réactions chimiques, ils perdent une certaine quantité d’énergie utilisable au cours du processus, car aucune réaction n’est totalement efficace. Ils produisent également des déchets et des sous-produits qui ne sont pas des sources d’énergie utiles. Ce processus augmente l’entropie de l’environnement du système. Comme tous les transferts d’énergie entraînent la perte d’une partie de l’énergie utilisable, la deuxième loi de la thermodynamique stipule que chaque transfert ou transformation d’énergie augmente l’entropie de l’univers. Même si les êtres vivants sont très ordonnés et maintiennent un état de faible entropie, l’entropie de l’univers dans son ensemble augmente constamment en raison de la perte d’énergie utilisable à chaque transfert d’énergie qui se produit. Essentiellement, les êtres vivants sont dans une bataille difficile continue contre cette augmentation constante de l’entropie universelle.

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