La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de conservación de la energía, es un principio fundamental en la física y también se aplica al flujo de energía en la biología. Esta ley establece que la energía no puede ser creada ni destruida en un sistema aislado, sino que solo puede ser convertida de una forma a otra o transferida entre diferentes partes del sistema.
La energía ingresa a los sistemas biológicos principalmente en forma de luz solar o energía química de sustancias inorgánicas.
Los organismos fotoautótrofos, como las cianobacterias, las algas y las plantas, producen materia orgánica a través de la fotosíntesis. Utilizan pigmentos para convertir la energía de la luz solar en energía química en compuestos de alta energía, como el NADPH y el ATP, y liberan oxígeno como subproducto. Estos compuestos de alta energía luego se convierten en glucosa a través del ciclo de Calvin.
Los quimioautótrofos obtienen su energía de las reacciones químicas que realizan. Estos organismos utilizan un proceso llamado quimiosíntesis para convertir sustancias inorgánicas en compuestos orgánicos. Típicamente obtienen energía al oxidar moléculas inorgánicas, como el sulfuro de hidrógeno (H₂S), amoníaco (NH₃), hierro (Fe). La energía liberada por estas reacciones se utiliza para llevar a cabo procesos metabólicos. Se encuentran principalmente en ambientes donde la luz solar es escasa o está ausente, como las fuentes hidrotermales en el fondo marino, cuevas y ciertos suelo.
Los organismos heterótrofos no pueden producir materia orgánica por sí mismos y solo pueden obtener energía al consumir otros organismos. Por ejemplo, el ganado descompone la celulosa de la hierba en glucosa, que luego se convierte mediante respiración aeróbica en agua, dióxido de carbono, el compuesto de alta energía ATP y calor. Una vez adquirida la energía, experimenta diversas transformaciones dentro del sistema biológico. La energía se utiliza en procesos esenciales como el metabolismo, el crecimiento y la reproducción. La energía directa consumida por el ganado para sus actividades vitales proviene del ATP, y la energía en el ATP proviene de la energía solar convertida por las plantas. Algunos otros nutrientes presentes en la hierba, como aminoácidos, lípidos y sacáridos en exceso, se utilizan para sintetizar proteínas, lípidos y glucógeno en el ganado. Otro grupo de heterótrofos, como bacterias y hongos, descomponen cadáveres de plantas y animales y excrementos para obtener energía. La fuente inicial de esta energía es la energía solar capturada por la fotosíntesis en las plantas.
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado siempre aumenta o se mantiene constante. La entropía es una medida del grado de desorden o aleatoriedad en un sistema. Esta ley implica que los procesos naturales tienden a moverse hacia estados de mayor desorden o aleatoriedad. Otra forma equivalente de describir esto es que una porción de la energía se disipa como calor durante la conversión de energía, o que la energía no puede ser absorbida espontáneamente de un cuerpo a menor temperatura. La ley describe el concepto de entropía, la eficiencia de la conversión de energía y la dirección del flujo de energía espontáneo.
Esta ley también debe seguirse en biología. Por ejemplo, durante el metabolismo de una célula, se obtiene energía a partir de la descomposición de moléculas orgánicas. Sin embargo, no toda esta energía puede utilizarse para realizar trabajo. En su lugar, una gran parte se disipa como calor para aumentar la entropía del sistema. Solo el 40% de la energía se transfiere a ATP durante la oxidación de la glucosa, y el 60% se disipa como energía térmica.
La segunda ley también influye en los sistemas ecológicos y en la transferencia de energía entre diferentes niveles tróficos. A medida que la energía fluye a través de una cadena alimentaria o una red alimentaria, cada nivel de consumo conlleva una pérdida de energía. Esta pérdida ocurre debido a procesos metabólicos y disipación de calor. En consecuencia, hay una disminución en la energía disponible a medida que ascendemos en los niveles tróficos, lo que limita la longitud y complejidad de las cadenas alimentarias.