仕事をするためにエネルギーを得て、変換して、使用するという生細胞の主要任務は単純に見えるかもしれません。 しかし、熱力学の第 2 法則は、これらのタスクが見た目よりも難しい理由を説明しています。 これまで述べてきたエネルギー移動、および宇宙におけるすべてのエネルギー移動と変換は、どれも完全に効率的ではありません。 どのようなエネルギー移動においても、ある量のエネルギーが使用不可能な形で失われているのだ。 ほとんどの場合、そのエネルギーは熱エネルギーである。 熱力学的には、熱エネルギーとは、あるシステムから別のシステムへ、仕事をしていない状態で伝達されるエネルギーと定義される。 例えば、飛行機が空を飛ぶとき、周囲の空気との摩擦により、飛んでいる飛行機のエネルギーの一部が熱エネルギーとして失われる。 この摩擦によって、空気の分子の速度が一時的に速くなるため、実際に空気が加熱される。 同様に、細胞の代謝反応でも、一部のエネルギーは熱エネルギーとして失われます。 私たちのような温血動物にとっては、熱エネルギーは体温を維持するのに役立つからです。

物理系における重要な概念に、秩序と無秩序（ランダムネスとも呼ばれる）がある。 あるシステムが周囲に失うエネルギーが多いほど、そのシステムは秩序を失い、ランダムになる。 科学者たちは、システム内のランダム性や無秩序の尺度をエントロピーと呼んでいる。 エントロピーが高いということは、無秩序度が高く、エネルギーが低いということである（図1）。 エントロピーをよりよく理解するために、生徒の寝室を思い浮かべてみてください。 もし、エネルギーや労力をかけなければ、部屋はすぐに散らかってしまうだろう。 この部屋は非常に無秩序な状態であり、高エントロピーである。 部屋を清潔で整然とした状態に戻すには、生徒が仕事をしたり、物を片付けたりして、システムにエネルギーを投入する必要があります。 この状態は低エントロピーである。 同様に、車や家も秩序ある状態を保つために、常に作業をして維持しなければならない。 放っておくと、家や車のエントロピーは、錆びたり劣化したりして徐々に大きくなっていきます。 分子や化学反応も同様に、エントロピーの大きさは様々である。 例えば、化学反応が平衡状態になるとエントロピーが増加し、一か所に高濃度にある分子が拡散して広がるとエントロピーも増加します。

すべての物理系はこのように考えることができる。 生物は高度に秩序立っており、低エントロピーの状態を維持するために一定のエネルギー投入を必要とする。 生物系はエネルギーを蓄積する分子を取り込み、化学反応によってそれを変化させるが、完全に効率のよい反応はないため、その過程で使用可能なエネルギーがいくらか失われる。 また、エネルギー源として有用でない廃棄物や副産物も発生する。 この過程で、システムの周囲のエントロピーが増大する。 すべてのエネルギー移動は、何らかの利用可能なエネルギーの損失をもたらすので、熱力学の第二法則は、すべてのエネルギー移動または変換が宇宙のエントロピーを増加させると定めているのである。 生物は高度に秩序立っており、低エントロピー状態を維持しているが、エネルギー移動が起こるたびに使用可能なエネルギーが失われるため、宇宙全体のエントロピーは常に増加している。

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