3.4: Entropia w komórce

Podstawowe zadania żywej komórki, polegające na pozyskiwaniu, przekształcaniu i wykorzystywaniu energii do pracy, mogą wydawać się proste. Jednak druga zasada termodynamiki wyjaśnia, dlaczego te zadania są trudniejsze, niż się wydaje. Żaden z transferów energii we wszechświecie nie jest w pełni wydajny. W każdym transferze energii pewna ilość energii jest tracona w formie, która nie nadaje się do użytku. W większości przypadków tą formą jest energia cieplna. Termodynamicznie energia cieplna jest definiowana jako energia przenoszona z jednego systemu do drugiego, która nie jest pracą. Na przykład część energii jest tracona w postaci energii cieplnej podczas komórkowych reakcji metabolicznych.

Ważnym pojęciem w systemach fizycznych jest porządek i nieporządek. Im więcej energii jest tracone przez system do otoczenia, tym mniej uporządkowany i bardziej losowy jest system. Naukowcy nazywają miarę losowości lub nieporządku w systemie entropią. Wysoka entropia oznacza wysoki nieporządek i niską energię. Cząsteczki i reakcje chemiczne mają również różną entropię. Na przykład entropia wzrasta, gdy cząsteczki o wysokim stężeniu w jednym miejscu dyfundują i rozprzestrzeniają się.

Organizmy żywe są wysoce uporządkowane, wymagają stałego dopływu energii, aby utrzymać je w stanie niskiej entropii. Ponieważ żywe systemy pobierają cząsteczki magazynujące energię i przekształcają je w reakcjach chemicznych, tracą w tym procesie pewną ilość energii użytkowej, ponieważ żadna reakcja nie jest w pełni wydajna. Wytwarzają również odpady i produkty uboczne, które nie są użytecznymi źródłami energii. Proces ten zwiększa entropię otoczenia systemu. Ponieważ wszystkie transfery energii powodują utratę pewnej energii użytkowej, druga zasada termodynamiki mówi, że każdy transfer lub transformacja energii zwiększa entropię wszechświata. Mimo że żywe organizmy są wysoce uporządkowane i utrzymują stan niskiej entropii, entropia wszechświata w sumie stale rośnie z powodu utraty użytecznej energii z każdym następującym transferem energii. Zasadniczo, żywe istoty toczą nieustanną walkę z tym ciągłym wzrostem uniwersalnej entropii.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics”>Openstax Biology 2e, Section 6.3 The Laws of Thermodynamics.