3.4
活细胞遵循热力学第二定律,该定律指出,在没有外界输入的情况下,系统倾向于从低熵的有序状态向高熵的无序状态发展。
例如,氧气从肺部向含氧量较低的血液进行被动运输时,高浓度的氧气会扩散,从而使氧分子分散,增加系统的熵。
细胞通过分解葡萄糖等分子获取能量。反应的副产物——二氧化碳、水和热量被释放到周围环境中,从而增加了环境的熵。
细胞的存活依赖于高度有序的系统,例如DNA和蛋白质。这些有序结构的形成会导致系统熵的降低,因此必须伴随着周围环境熵的相等或更大的增加。
单条DNA链处于无序状态,当它们重新退火形成有序的双螺旋结构时,其熵会降低。
同时,在双螺旋结构形成过程中,能量会释放到周围环境中。这种能量使周围环境变得更加无序,从而增加其熵值。
活细胞的主要任务是获取、转化和利用能量来做功,这似乎很简单。然而,热力学第二定律解释了为什么这些任务比看起来更困难。宇宙中的能量传递都不是完全有效的。在每次能量转移中,都会有一部分的能量以无法使用的形式损失掉。大多数情况下,这种形式是热能。从热力学角度来说,热能被定义为从一个系统转移到另一个系统的非…