Das Leben und der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Jede chemische Reaktion, die bei konstanter Temperatur und konstantem Druck spontan abläuft – einschließlich von Prozessen wie Wachstum, Lernen und Reproduktion –, verläuft stets in die Richtung, in der die Freie Enthalpie abnimmt. Anders ausgedrückt könnte man auch sagen, dass sich nach Ablauf der Reaktion die Gesamtentropie des Systems und seiner Umgebung vergrößert hat. Auf der Basis dieses grundlegenden Gedankens lässt sich erklären, weshalb ein lebendiger Organismus, in dem biologische Prozesse und biochemische Reaktionen in einem komplexen, hoch organisierten Körper ablaufen, im Einklang mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik existieren kann.

Thermodynamik in Zellen und Organismen

Die Bedingungen in einer biologischen Zelle sind so ausgerichtet, dass die zahlreichen Reaktionen zur Verwertung und Spaltung von Nahrungsmolekülen spontan ablaufen. Der Abbau großer Moleküle, wie z. B. Zucker oder Fette, zu kleineren Molekülen führt zu einer größeren Verteilung der Substanzen innerhalb der Zelle. Dies trifft auch auf die Energie zu, die beim Abbau von Nährstoffen durch Oxidation chemischer Bindungen frei wird.  Schwieriger ist es zu verstehen, wie die wohl strukturierte Organisation einer enormen Anzahl von Molekülen in die biologischen Zellen eines lebendigen Organismus mit dem Zweiten Hauptsatz in Einklang zu bringen ist. Die Entropie des Systems – in diesem Fall des betrachteten Organismus – muss sehr gering sein, denn die Materie, aus der er besteht, ist weniger stark verteilt durch die Organisation von Molekülen in Makromoleküle Zellen, Gewebe, Organe, und so weiter. Diese Abnahme der Entropie des Systems wird jedoch durch eine Zunahme der Entropie in der Umgebung kompensiert. ​

Thermodynamik zwischen Organismus und Umgebung

Um diesen Sachverhalt verstehen zu können, ist es notwendig zu wissen, dass biologische Zellen funktionieren, indem sie die Energie, die sie durch Nutzung der Sonnenenergie oder durch Oxidation von Nahrungsmitteln aufgenommen haben, teilweise in Arbeit umwandeln. Die verbleibende Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, also ist q _Umg > 0 und ΔS_Umg > 0. 

Wir können also das Leben wie jeden anderen spontan ablaufenden Prozess verstehen, der immer weiter abläuft, solange die Entropieerhöhung in der Umgebung des Organismus den Entropieverlust durch die Organisation des Lebewesens selbst überkompensiert. Alternativ könnten wir auch formulieren, dass in der Summe  ΔGUmg < 0 sein muss für die Gesamtheit aller physikalischen und chemischen Vorgänge, die wir als Leben bezeichnen.

Aus: Atkins, de Paula, „Kurzlehrbuch Physikalische Chemie“, ISBN 9783527343928