3.4: Cell 内的熵

活细胞的主要任务是获取、转化和使用能量来做功，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难。宇宙中没有任何能量转移是完全有效的。在每次能量转移中，都会以无法使用的形式损失一定量的能量。在大多数情况下，这种形式是热能。在热力学上，热能被定义为从一个系统转移到另一个不工作的能量。例如，在细胞代谢反应过程中，一些能量以热能的形式损失。

物理系统中的一个重要概念是秩序和无序。系统向周围环境损失的能量越多，系统的有序性就越低，随机性就越大。科学家将系统内随机性或无序性的度量称为熵。高熵意味着高无序和低能量。分子和化学反应也具有不同的熵。例如，当高浓度分子在一个地方扩散和扩散时，熵会增加。

生物是高度有序的，需要持续的能量输入才能维持在低熵的状态。当生命系统吸收储能分子并通过化学反应转化它们时，它们在此过程中会损失一些可用能量，因为没有反应是完全有效的。它们还会产生不是有用能源的废物和副产品。这个过程增加了系统周围环境的熵。由于所有能量转移都会导致一些可用能量的损失，因此热力学第二定律指出，每一次能量转移或转化都会增加宇宙的熵。尽管生物是高度有序的并保持低熵状态，但由于每次发生的能量转移都会损失可用能量，因此宇宙的总熵也在不断增加。从本质上讲，生物正在与这种不断增加的普遍熵进行一场持续的艰苦战斗。

本文改编自 Openstax Biology 2e， Section 6.3热力学定律。