3.4: Энтропия в ячейке

Основные задачи живой клетки по получению, преобразованию и использованию энергии для выполнения работы могут показаться простыми. Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажется. Ни один из видов переноса энергии во Вселенной не является полностью эффективным. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в форме, которая непригодна для использования. В большинстве случаев такой формой является тепловая энергия. Термодинамически тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, которая не является работой. Например, часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является понятие порядка и беспорядка. Чем больше энергии система теряет в окружающую среду, тем менее упорядоченной и более случайной является система. Ученые называют меру случайности или беспорядка в системе энтропией. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют различную энтропию. Например, энтропия увеличивается по мере того, как молекулы при высокой концентрации в одном месте диффундируют и распространяются.

Живые существа очень упорядочены, требуют постоянного поступления энергии для поддержания в состоянии низкой энтропии. По мере того как живые системы поглощают молекулы, накапливающие энергию, и преобразуют их в ходе химических реакций, они теряют некоторое количество полезной энергии, потому что ни одна реакция не является полностью эффективной. Они также производят отходы и побочные продукты, которые не являются полезными источниками энергии. Этот процесс увеличивает энтропию окружения системы. Поскольку все переносы энергии приводят к потере некоторой полезной энергии, второй закон термодинамики гласит, что каждый перенос или преобразование энергии увеличивает энтропию Вселенной. Несмотря на то, что живые существа высоко упорядочены и поддерживают состояние низкой энтропии, энтропия Вселенной в целом постоянно увеличивается из-за потери полезной энергии при каждой происходящей передаче энергии. По сути, живые существа находятся в непрерывной тяжелой битве против этого постоянного роста вселенской энтропии.

Этот текст адаптирован из Openstax Biology 2e, раздел 6.3 Законы термодинамики.