Podstawowe zadania żywej komórki polegające na uzyskiwaniu, przekształcaniu i wykorzystywaniu energii do wykonywania pracy mogą wydawać się proste. Jednak drugie prawo termodynamiki wyjaśnia, dlaczego te zadania są trudniejsze, niż się wydaje. Żaden z omawianych przez nas transferów energii, podobnie jak wszystkie transfery energii i transformacje we wszechświecie, nie jest całkowicie wydajny. W każdym transferze energii, pewna ilość energii jest tracona w formie, która jest nie do wykorzystania. W większości przypadków, tą formą jest energia cieplna. Termodynamicznie, energia cieplna jest definiowana jako energia przekazywana z jednego systemu do drugiego, który nie wykonuje pracy. Na przykład, kiedy samolot leci w powietrzu, część energii lecącego samolotu jest tracona jako energia cieplna z powodu tarcia z otaczającym powietrzem. To tarcie w rzeczywistości ogrzewa powietrze poprzez tymczasowe zwiększenie prędkości cząsteczek powietrza. Podobnie, część energii jest tracona jako energia cieplna podczas komórkowych reakcji metabolicznych. Jest to korzystne dla istot ciepłokrwistych, takich jak my, ponieważ energia cieplna pomaga utrzymać temperaturę naszego ciała. Ściśle mówiąc, żaden transfer energii nie jest całkowicie wydajny, ponieważ część energii jest tracona w formie nieużytecznej.

Rysunek 1. Entropia jest miarą losowości lub nieuporządkowania w systemie. Gazy mają wyższą entropię niż ciecze, a ciecze mają wyższą entropię niż ciała stałe.

Ważnym pojęciem w układach fizycznych jest pojęcie porządku i nieporządku (zwanego również losowością). Im więcej energii jest tracone przez system do jego otoczenia, tym mniej uporządkowany i bardziej przypadkowy jest system. Naukowcy określają miarę przypadkowości lub nieuporządkowania w systemie jako entropię. Wysoka entropia oznacza wysoki stopień nieuporządkowania i niską energię (Rysunek 1). Aby lepiej zrozumieć entropię, pomyśl o sypialni studenta. Jeśli nie włożono by w nią żadnej energii ani pracy, pokój szybko stałby się nieuporządkowany. Znajdowałby się w bardzo nieuporządkowanym stanie, charakteryzującym się wysoką entropią. Energia musi być włożona w system, w postaci studenta wykonującego pracę i odkładającego wszystko na miejsce, aby przywrócić pokój do stanu czystości i porządku. Ten stan jest stanem niskiej entropii. Podobnie, samochód czy dom musi być stale utrzymywany w stanie uporządkowanym. Pozostawiony sam sobie, entropia domu lub samochodu stopniowo wzrasta poprzez rdzę i degradację. Molekuły i reakcje chemiczne również mają różne ilości entropii. Na przykład, gdy reakcje chemiczne osiągają stan równowagi, entropia wzrasta, a gdy cząsteczki o dużym stężeniu w jednym miejscu rozpraszają się i rozprzestrzeniają, entropia również wzrasta.

Wszystkie systemy fizyczne mogą być myślane w ten sposób: Organizmy żywe są wysoce uporządkowane, wymagają stałego dopływu energii, aby mogły być utrzymywane w stanie niskiej entropii. Ponieważ systemy żywe pobierają cząsteczki magazynujące energię i przekształcają je poprzez reakcje chemiczne, tracą pewną ilość energii użytecznej w tym procesie, ponieważ żadna reakcja nie jest całkowicie wydajna. Wytwarzają również odpady i produkty uboczne, które nie są użytecznymi źródłami energii. Proces ten zwiększa entropię otoczenia systemu. Ponieważ wszystkie transfery energii skutkują utratą części energii użytecznej, drugie prawo termodynamiki mówi, że każdy transfer energii lub transformacja zwiększa entropię wszechświata. Nawet jeśli istoty żywe są wysoce uporządkowane i utrzymują stan niskiej entropii, entropia wszechświata w sumie stale rośnie z powodu utraty energii użytkowej przy każdym transferze energii, który ma miejsce. Zasadniczo, istoty żywe są w ciągłej walce pod górę przeciwko temu stałemu wzrostowi uniwersalnej entropii.

Przyczyń się!

Popraw tę stronęDowiedz się więcej