As tarefas primárias de uma célula viva de obter, transformar e usar energia para fazer trabalho podem parecer simples. Contudo, a segunda lei da termodinâmica explica porque é que estas tarefas são mais difíceis do que parecem. Nenhuma das transferências de energia que discutimos, juntamente com todas as transferências e transformações de energia no universo, é completamente eficiente. Em cada transferência de energia, alguma quantidade de energia é perdida de uma forma que é inutilizável. Na maioria dos casos, esta forma é energia térmica. Termodinamicamente, a energia térmica é definida como a energia transferida de um sistema para outro que não está a funcionar. Por exemplo, quando um avião voa pelo ar, parte da energia do avião voador é perdida como energia térmica devido ao atrito com o ar ao redor. Esta fricção realmente aquece o ar ao aumentar temporariamente a velocidade das moléculas do ar. Da mesma forma, parte da energia é perdida como energia térmica durante as reacções metabólicas celulares. Isto é bom para criaturas de sangue quente como nós, porque a energia de calor ajuda a manter a temperatura do nosso corpo. A rigor, nenhuma transferência de energia é completamente eficiente, porque alguma energia é perdida de uma forma inutilizável.

Figure 1. A entropia é uma medida de aleatoriedade ou desordem em um sistema. Gases têm maior entropia que líquidos, e líquidos têm maior entropia que sólidos.

Um conceito importante em sistemas físicos é o de ordem e desordem (também conhecido como aleatoriedade). Quanto mais energia é perdida por um sistema para o seu ambiente, menos ordenado e mais aleatório é o sistema. Os cientistas se referem à medida da aleatoriedade ou desordem dentro de um sistema como entropia. Entropia alta significa desordem alta e baixa energia (Figura 1). Para entender melhor a entropia, pense no quarto de dormir de um estudante. Se nenhuma energia ou trabalho fosse colocado nele, o quarto rapidamente se tornaria desarrumado. Ele existiria em um estado muito desordenado, um de alta entropia. A energia deve ser colocada no sistema, na forma de o estudante fazer trabalho e guardar tudo, para que o quarto volte ao estado de limpeza e ordem. Este estado é de baixa entropia. Da mesma forma, um carro ou casa deve ser constantemente mantido com o trabalho, a fim de mantê-lo em um estado ordenado. Deixada sozinha, a entropia da casa ou do carro aumenta gradualmente através da ferrugem e degradação. As moléculas e as reacções químicas também têm quantidades variáveis de entropia. Por exemplo, à medida que as reacções químicas atingem um estado de equilíbrio, a entropia aumenta, e à medida que as moléculas em alta concentração num lugar se difundem e se espalham, a entropia também aumenta.

Todos os sistemas físicos podem ser pensados desta forma: Os seres vivos são altamente ordenados, requerendo uma entrada de energia constante para serem mantidos num estado de baixa entropia. Como os sistemas vivos absorvem moléculas armazenadoras de energia e as transformam através de reacções químicas, eles perdem alguma quantidade de energia utilizável no processo, porque nenhuma reacção é completamente eficiente. Elas também produzem resíduos e subprodutos que não são fontes de energia úteis. Este processo aumenta a entropia do entorno do sistema. Como todas as transferências de energia resultam na perda de alguma energia utilizável, a segunda lei da termodinâmica afirma que cada transferência ou transformação de energia aumenta a entropia do universo. Mesmo que os seres vivos sejam altamente ordenados e mantenham um estado de baixa entropia, a entropia do universo no total aumenta constantemente devido à perda de energia utilizável com cada transferência de energia que ocorre. Essencialmente, os seres vivos estão numa batalha contínua contra este aumento constante da entropia universal.

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