تعتبر قوانين الديناميكا الحرارية مهمة لتوحيد مبادئ البيولوجيا؛ فهي تحكم العمليات الكيميائية (التمثيل الغذائي) في جميع الكائنات الحية. القانون الأول في الديناميكا الحرارية يُعرف باسم قانون حفظ الطاقة، وينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، ولكن يمكن أن تتحول من شكل إلى أخر، وتبقى ثابتة في نظام مغلق.
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه عند نقل الطاقة ستكون الطّاقة المتاحة في نهاية عملية النقل أقل مما كانت عليه في البداية؛ بسبب الإنتروبي (مقياس الاضطراب في نظام مغلق)، وكل الطاقة المتاحة لن تكون مفيدة للكائن الحي. تزيد الإنتروبي مع انتقال الطاقة. بالإضافة إلى قوانين الديناميكا الحرارية، فإن نظرية الخلية، ونظرية الجينات، والتطور، والتوازن تشكل المبادئ الأساسية لدراسة الحياة.
القانون الأول في الديناميكا الحرارية في النظم البيولوجية
تحتاج جميع الكائنات الحية إلى الطاقة لتحيا. في نظام مغلق مثل الكون، الطّاقة لا تستهلك لكنها تتحول من صورة إلى أخرى. تقوم الخلايا على سبيل المثال بعدد من العمليات التي تحتاج إلى الطاقة، ففي البناء الضوئي تستمد الطّاقة من الشمس على هيئة الضوء الذي يُمتص من قِبَل الخلايا في أوراق النباتات وتحولها إلى طاقة كيميائية. تخزن الطّاقة الكيميائية على هيئة جلوكوز يستخدم في تصنيع مواد أكثر تعقيدًا مثل الكربوهيدرات اللازمة لنمو النباتات.
يمكن أيضًا إطلاق الطاقة المخزنة في الجلوكوز من خلال التنفس الخلوي. تتيح هذه العملية للكائنات النباتية والحيوانية الوصول إلى الطّاقة المخزنة في الكربوهيدرات والدهون والجزيئات الكبيرة الأخرى من خلال إنتاج جزيئات ATP. هناك تستخدم هذه الطاقة لأداء وظائف خلوية مهمة مثل تضاعف الحمض النووي الحمض النووي، والانقسام المتساوي، والانقسام المنصف، وحركة الخلية، والإدخال الخلوي أو الالتقام، والإخراج الخلوي أو الإيماس، والاستماتة.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية في النظم البيولوجية
مثل باقي الأنظمة البيولوجية لا يكون نقل الطاقة بشكل فعال بنسبة 100%. في البناء الضوئي على سبيل المثال لا يُمتص ضوء الشمس بالكامل بل إن بعضه ينعكس والبعض الآخر يتحول إلى صورة حرارة.
فقدان الحرارة إلى البيئة المحيطة يزيد من الإنتروبي، وعلى عكس النباتات وبعض الأحياء الأخرى التي تعتمد على البناء الضوئي، لا تستطيع الحيوانات تحويل الضوء إلى طاقة مباشرة؛ كلما ارتفع الكائن الحي في السلسلة الغذائية قلت الطاقة المتاحة له من المصادر الغذائية.
يفقد الكثير من هذه الطاقة أثناء عمليات التمثيل الغذائي التي يؤديها المنتجون والمستهلكون الأساسيون الذين يُتَناولون. لذلك، تتوفر طاقة أقل للكائنات في المستويات الغذائية العليا. كلما قلت الطاقة المتاحة، قل عدد الكائنات الحية التي تحتاج إلى الدعم. وهذا هو السبب في وجود المنتجين أكثر من المستهلكين في النظام البيئي.
تتطلب الأنظمة الحية مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على حالتها. على سبيل المثال الخلايا مرتبة للغاية ولديها إنتروبي منخفضة. في عملية الحفاظ على هذا النظام، بعض الطاقة تُفقد إلى المناطق المحيطة أو لتحويلها، لذا عند ترتيب الخلايا فإن العمليات التي تُحفظ على هذا الترتيب تؤدي إلى زيادة في الإنتروبي في محيط الخلية/ الكائن الحي. نقل الطاقة يؤدي إلى زيادة الإنتروبي في الكون.
اقرأ ايضًا:
العلماء ينتجون خلايا اصطناعية تحصل على طاقتها عن طريق التمثيل الضوئي
ترجمة: بيتر نبيل
تدقيق: براءة ذويب
