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Die Hauptaufgaben einer lebenden Zelle, Energie zu gewinnen, umzuwandeln und für die Arbeit zu nutzen, mögen einfach erscheinen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erklärt jedoch, warum diese Aufgaben schwieriger sind, als sie scheinen. Keine der Energieübertragungen im Universum ist vollständig effizient. Bei jeder Energieübertragung geht ein Teil der Energie in unbrauchbarer Form verloren. In den meisten Fällen handelt es sich bei dieser Form um Wärmeenergie. Thermodynamisch ist Wärmeenergie als die von einem System auf ein anderes übertragene Energie definiert, die keine Arbeit ist. Beispielsweise geht bei zellulären Stoffwechselreaktionen ein Teil der Energie als Wärmeenergie verloren.
Ein wichtiges Konzept in physikalischen Systemen ist das von Ordnung und Unordnung. Je mehr Energie ein System an seine Umgebung verliert, desto ungeordneter und zufälliger ist das System. Wissenschaftler bezeichnen das Maß für Zufälligkeit oder Unordnung innerhalb eines Systems als Entropie. Hohe Entropie bedeutet hohe Unordnung und niedrige Energie. Auch Moleküle und chemische Reaktionen weisen unterschiedliche Entropien auf. Beispielsweise nimmt die Entropie zu, wenn Moleküle mit hoher Konzentration an einer Stelle diffundieren und sich ausbreiten.
Lebewesen sind hochgeordnet und erfordern eine konstante Energiezufuhr, um in einem Zustand niedriger Entropie gehalten zu werden. Wenn lebende Systeme energiespeichernde Moleküle aufnehmen und durch chemische Reaktionen umwandeln, verlieren sie dabei einen Teil der nutzbaren Energie, da keine Reaktion vollständig effizient ist. Sie produzieren auch Abfälle und Nebenprodukte, die keine nützlichen Energiequellen sind. Dieser Prozess erhöht die Entropie der Systemumgebung. Da bei allen Energieübertragungen ein Teil der nutzbaren Energie verloren geht, besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass jede Energieübertragung oder Umwandlung die Entropie des Universums erhöht. Auch wenn Lebewesen eine hohe Ordnung aufweisen und einen Zustand niedriger Entropie beibehalten, nimmt die Entropie des Universums insgesamt ständig zu, da mit jedem Energietransfer nutzbare Energie verloren geht. Im Wesentlichen befinden sich Lebewesen in einem ständigen harten Kampf gegen diesen ständigen Anstieg der universellen Entropie.
Dieser Text ist adaptiert von Openstax Biology 2e, Section 6.3 The Laws of Thermodynamics.