Termodinamikas likumi ir svarīgi vienojošie principi bioloģija. Šie principi regulē ķīmiskos procesus (metabolismu) visos bioloģiskajos organismos. Pirmais termodinamikas likums, pazīstams arī kā enerģijas taupīšanas likums, norāda, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt. Tas var mainīties no vienas formas uz otru, bet enerģija slēgtā sistēmā paliek nemainīgs.
Otrais termodinamikas likums nosaka, ka, nododot enerģiju, pārvietošanas procesa beigās būs pieejams mazāk enerģijas nekā sākumā. Entropijas dēļ, kas ir traucējumu mērs slēgtā sistēmā, visa pieejamā enerģija organismam nebūs noderīga. Entropija palielinās, pārnesot enerģiju.
Papildus termodinamikas likumiem šūnu teorija, gēnu teorija, evolūcija un homeostāze veido pamatprincipus, kas ir dzīves izpētes pamatā.
Pirmais termodinamikas likums bioloģiskajās sistēmās
Visiem bioloģiskajiem organismiem ir nepieciešama enerģija, lai izdzīvotu. Slēgtā sistēmā, piemēram, Visumā, šī enerģija netiek patērēta, bet tiek pārveidota no vienas formas uz otru. Šūnas, piemēram, veic vairākus svarīgus procesus. Šie procesi prasa enerģiju. Iekšā
fotosintēze, enerģiju piegādā saule. Gaismas enerģiju absorbē šūnas augu lapās un pārvērš ķīmiskajā enerģijā. Ķīmiskā enerģija tiek uzkrāta glikozes veidā, ko izmanto, lai veidotu sarežģītus ogļhidrātus, kas nepieciešami augu masas veidošanai.Glikozes uzkrāto enerģiju var atbrīvot arī caur šūnu elpošanu. Šis process ļauj augu un dzīvnieku organismiem piekļūt enerģijai, kas uzkrāta ogļhidrātos, lipīdos un citās makromolekulās, iegūstot ATP. Šī enerģija ir nepieciešama, lai veiktu šūnu funkcijas, piemēram, DNS replikāciju, mitozi, meiozi, šūnu kustību, endocitozi, eksocitozi un apoptozi.
Otrais termodinamikas likums bioloģiskajās sistēmās
Tāpat kā citos bioloģiskajos procesos, enerģijas pārnešana nav simtprocentīgi efektīva. Piemēram, fotosintēzē augs ne visu gaismas enerģiju absorbē. Daļa enerģijas tiek atspoguļota, un daļa tiek zaudēta kā siltums. Enerģijas zudums apkārtējā vidē izraisa traucējumus vai entropiju. Atšķirībā no augiem un citiem fotosintētiskiem organismiem, dzīvnieki nevar ģenerēt enerģiju tieši no saules gaismas. Viņiem enerģijas patēriņš ir augi vai citi dzīvnieku organismi.
Jo augstāk organisms atrodas barības ķēdē, jo mazāk enerģijas tas saņem no saviem pārtikas avotiem. Liela daļa šīs enerģijas tiek zaudēta vielmaiņas procesu laikā, ko veic ražotāji un primārie patērētie patērētie produkti. Tāpēc organismiem ar augstāku trofisko līmeni ir pieejams daudz mazāk enerģijas. (Trofiskie līmeņi ir grupas, kas palīdz ekologiem izprast visu dzīvo lietu īpašo lomu ekosistēmā.) Jo zemāka pieejamā enerģija, jo mazāk organismu var atbalstīt. Tāpēc ekosistēmā ir vairāk ražotāju nekā patērētāju.
Dzīvajām sistēmām nepieciešama pastāvīga enerģijas ievade, lai uzturētu to ļoti sakārtoto stāvokli. Piemēram, šūnas ir ļoti sakārtotas un tām ir zema entropija. Šīs kārtības uzturēšanas procesā daļa enerģijas tiek zaudēta apkārtnei vai pārveidota. Tātad, kamēr šūnas tiek pasūtītas, procesi, kas tiek veikti, lai uzturētu šo kārtību, izraisa entropijas palielināšanos šūnas / organisma apkārtnē. Enerģijas pārnešana izraisa entropijas palielināšanos Visumā.