los físicos originalmente resumieron la primera y segunda reglas de la termodinámica usando datos experimentales. Estos principios controlan y penetran toda parte de la existencia, no sólo la física, sino también la biología.
La Primera Ley de la Termodinámica en Biología
La energía sólo puede cambiarse de una forma a otra o moverse entre varios componentes de un sistema de acuerdo con la primera ley de la termodinámica que también se conoce como la ley de conservación de la energía. Esta idea también guía el flujo de energía en los sistemas biológicos: la energía en los seres vivos proviene del sol y se mueve de las plantas a los animales. El hidrógeno se funde en helio en el centro del sol para emitir fotones bajo tremenda presión y temperatura. Como un enorme reactor nuclear, el sol da vida a la tierra energía infinita.
Es un proceso endergónico para sintetizar moléculas orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua. Debido a que los reactivos tienen mucha menor energía potencial que los productos, el proceso no es espontáen termodinámica. La síntesis de carbohidratos requiere energía solar.
La fotosíntesis es la forma más ampliamente utilizada en la tierra para absorber la energía solar. Tiene lugar en los cloroplastde plantas o algas. Varias longitudes de onda de la luz son absorpor la clorofila y otros pigmentos auxiliares, incluyendo carotenoides y xantofilas. Ellos mueven la energía a los centros de reacción para romper el agua en protones y oxígeno. Algo de energía en los protones entra en moléculas de alta energía como NADPH, mientras que otra parte se almacena en un gradiente de protón crear ATP, similar al proceso en las mitocondrias. El ciclo de Calvin convierte estas moléculas de alta energía y dióxido de carbono en triosa. Algunas bacterias sintetizan productos químicos orgánicos sin utilizar clorofila, sino proteínas que absorben la luz verde, lo que les da un tono púrpura.
La Segunda Ley de la Termodinámica, Entropía y Vida
Los cambios de entropía a menudo acompañan el flujo de energía. Es un concepto termodinámico fundamental que mide el grado de desorden o aleatorien un sistema. Los sistemas de baja entropía están más organizados y tienen menos microestados que los sistemas de alta entropía, que tienen más microestados y son más caóticos. La entropía en un sistema aislado siempre aumenta o permanece constante de acuerdo con la segunda regla de la termodinámica. Parece que las situaciones caã ³ ticas son la tendencia de los procesos naturales. Por ejemplo, el contacto cercano prolongado entre dos metales diferentes hará que se difundan entre sí. El desorden se genera en su interfaz.
Sin embargo, la entropía parece disminuir en la vida que se desarrolla de formas desordensimples a formas complejas y ordenadas. Un simple huevo fertilizado crece hasta convertirse en una criatura completamente desarrollada. La vida evolude las moléculas más simples a organismos unicelulares y luego a complejos organismos multicelulares durante la evolución. Algunos pensaban que la segunda regla de la termodinámica no se aplicaba a la vida debido a esta aparente contradicción. Esta idea es errónea. Debido a que la vida es un sistema abierto que intercambia materia y energía con su entorno, la idea de entropía creciente sólo se aplica a sistemas aislados o adiabáticos. El entorno externo debe ser incluido para crear un sistema aislado con el fin de utilizar la segunda regla de la termodinámica.
Ahora, consideremos la fotosíntesis. Además de los reactivos y productos, los fotones también deben ser considerados. Una planta absorbe al menos 8-10 fotones para crear una molécula de glucosa. El cambio de entropía en la fotosíntesis consiste de dos partes. La entropía se reduce cuando la glucosa y el oxígeno se producen a partir de dióxido de carbono y agua. Otra parte es el aumento de entropía. Cuando los fotones de alta energía son capturados por las plantas, sólo una parte de la energía se transfiere a los compuestos orgánicos, mientras que el resto se disipa como radiación infrarroja para aumentar la entropía del medio ambiente. La entropía total del sistema se incrementará por la combinación de estos dos componentes.
Vida Lejos del Equilibrio: Entropía Positiva, Entropía Negativa, Estructuras Disipativas
La vida es un sistema alejado del equilibrio termodinámico. Tales sistemas demanmetodologías más sofisticadas para la investigación. Ilya Prigogine fundó la termodinámica de no equilibrio en la década de 1970. Los sistemas lejos del equilibrio intercambiarán energía y materia con su entorno para pasar del caos al orden cuando las perturbaciones externas sobrepasen un umbral específico. Llamamos a estas estructuras ordenadas lejos de las estructuras disipativas de la condición de equilibrio.
Los seres vivos tienen dos componentes para su cambio de entropía: ΔS₁ y ΔS₂. La entropía positiva producida por procesos biológicos internos irreversibles, incluyendo la respiración, descomposición de materia orgánica y difusión de material se denota como ΔS₁. El cambio de entropía provocado por la interacción de materia y energía entre un organismo y su entorno se representa por ΔS₂. El desarrollo de una persona joven en una persona madura es uno de los procesos de la vida más organizados cuando ΔS₁ + ΔS₂ < 0. ΔS₁ + ΔS₂ = 0 mantiene un organismo estable y en orden de madurez. El organismo se vuelve más caótico y desordenado cuando ΔS₁ + ΔS₂ > 0. Es común en ancianos o enfermos. La muerte de la vida ocurrirá en equilibrio en su máxima entropía. Los seres vivos tienen que asegurarse de que ΔS₁ + ΔS₂ ≤ 0, lo que implica que ΔS₂ tiene que ser negativo.
El consumo de alimentos de baja entropía y la eliminación de basura de alta entropía ayudan a alcanzar esta entropía negativa. Por ejemplo, cuando los animales comen carbohidratos, proteínas y lípidos, el metabolismo produce productos de alta entropía como residuos, CO₂, H₂O y urea. La síntesis de proteínas a partir de aminoácidos caóticos, el orden mantenido por el sistema inmune y la dispersión de calor hacia el exterior es otra manera de reducir la entropía.