Az élő sejt elsődleges feladata az energia kinyerése, átalakítása és felhasználása a munka elvégzéséhez egyszerűnek tűnhet. A termodinamika második törvénye azonban megmagyarázza, hogy ezek a feladatok miért nehezebbek, mint amilyennek látszanak. Az általunk tárgyalt energiaátadások egyike sem teljesen hatékony, akárcsak az univerzumban végbemenő összes energiaátadás és -átalakítás. Minden energiaátadás során bizonyos mennyiségű energia használhatatlan formában vész el. A legtöbb esetben ez a forma a hőenergia. Termodinamikailag a hőenergiát úgy határozzuk meg, mint az egyik rendszerből a másikba átadott energiát, amely nem végez munkát. Például amikor egy repülőgép a levegőben repül, a repülőgép energiájának egy része a környező levegővel való súrlódás miatt hőenergiaként elvész. Ez a súrlódás valójában felmelegíti a levegőt azáltal, hogy átmenetileg megnöveli a levegő molekuláinak sebességét. Hasonlóképpen, a sejtek anyagcsere-reakciói során is elvész némi energia hőenergiaként. Ez jó a hozzánk hasonló melegvérű élőlényeknek, mert a hőenergia segít fenntartani a testhőmérsékletünket. Szigorúan véve egyetlen energiaátvitel sem teljesen hatékony, mert némi energia használhatatlan formában vész el.

1. ábra. Az entrópia egy rendszer véletlenszerűségének vagy rendezetlenségének mértékegysége. A gázok entrópiája magasabb, mint a folyadékoké, a folyadékoké pedig magasabb, mint a szilárd anyagoké.

A fizikai rendszerek fontos fogalma a rend és a rendezetlenség (más néven véletlenszerűség). Minél több energiát veszít egy rendszer a környezetébe, annál kevésbé rendezett és annál véletlenszerűbb a rendszer. A tudósok a rendszeren belüli véletlenszerűség vagy rendezetlenség mértékét entrópiának nevezik. A magas entrópia magas rendezetlenséget és alacsony energiát jelent (1. ábra). Az entrópia jobb megértéséhez gondoljunk egy diák hálószobájára. Ha nem fektetnénk bele energiát vagy munkát, a szoba gyorsan rendetlenné válna. Nagyon rendezetlen, magas entrópiájú állapotban létezne. Ahhoz, hogy a szoba ismét tiszta és rendezett állapotba kerüljön, energiát kell a rendszerbe vinni, mégpedig úgy, hogy a diák munkát végez és mindent elpakol. Ez az állapot alacsony entrópiájú. Hasonlóképpen, egy autót vagy házat is folyamatosan munkával kell karbantartani, hogy rendezett állapotban maradjon. Ha magára hagyjuk, a ház vagy az autó entrópiája fokozatosan növekszik a rozsda és a romlás révén. A molekulák és a kémiai reakciók is különböző mértékű entrópiával rendelkeznek. Például, ahogy a kémiai reakciók elérik az egyensúlyi állapotot, az entrópia növekszik, és ahogy az egy helyen nagy koncentrációban lévő molekulák diffundálnak és szétterülnek, az entrópia szintén növekszik.

Minden fizikai rendszerről így gondolkodhatunk: Az élőlények nagymértékben rendezettek, állandó energiabevitelt igényelnek ahhoz, hogy alacsony entrópiájú állapotban maradjanak. Ahogy az élő rendszerek energiatároló molekulákat vesznek fel és alakítanak át kémiai reakciókon keresztül, a folyamat során veszítenek bizonyos mennyiségű hasznosítható energiát, mivel egyetlen reakció sem teljesen hatékony. Hulladékot és melléktermékeket is termelnek, amelyek nem hasznos energiaforrások. Ez a folyamat növeli a rendszer környezetének entrópiáját. Mivel minden energiaátadás némi hasznosítható energia elvesztésével jár, a termodinamika második törvénye kimondja, hogy minden energiaátadás vagy átalakulás növeli a világegyetem entrópiáját. Annak ellenére, hogy az élőlények rendkívül rendezettek és alacsony entrópiájú állapotot tartanak fenn, a világegyetem entrópiája összességében folyamatosan növekszik a felhasználható energia elvesztése miatt minden egyes energiaátadással. Lényegében az élőlények folyamatos küzdelmet folytatnak az univerzális entrópia állandó növekedésével szemben.

Tegyél hozzá!

Javítsd ezt az oldaltTudj meg többet