La termodinámica biológica es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía que ocurren en o entre organismos vivos , estructuras y células y de la naturaleza y función de los procesos químicos que subyacen a estas transducciones. La termodinámica biológica puede abordar la cuestión de si el beneficio asociado con cualquier rasgo fenotípico en particular vale la inversión de energía que requiere.
El libro Energy Transformations in Living Matter de 1957 del médico y bioquímico alemán-británico Hans Krebs (escrito con Hans Kornberg ) [1] fue la primera publicación importante sobre la termodinámica de las reacciones bioquímicas. Además, el apéndice contenía las primeras tablas termodinámicas publicadas, escritas por Kenneth Burton , que contenían constantes de equilibrio y energía libre de Gibbs de formaciones para especies químicas , capaces de calcular reacciones bioquímicas que aún no habían ocurrido.
La termodinámica del no equilibrio se ha aplicado para explicar cómo los organismos biológicos pueden desarrollarse a partir del desorden. [2] [3] Ilya Prigogine desarrolló métodos para el tratamiento termodinámico de tales sistemas. Llamó a estos sistemas sistemas disipativos , porque se forman y mantienen por los procesos disipativos que intercambian energía entre el sistema y su entorno, y porque desaparecen si cesa ese intercambio. Se puede decir que viven en simbiosis con su entorno. Las transformaciones de energía en biología dependen principalmente de la fotosíntesis . La energía total capturada por la fotosíntesis en las plantas verdes a partir de la radiación solar es de aproximadamente 2 x 10 23 julios de energía por año.[4] La energía anual capturada por la fotosíntesis en las plantas verdes es aproximadamente el 4% de la energía solar total que llega a la Tierra. Las transformaciones de energía en las comunidades biológicas que rodean los respiraderos hidrotermales son excepciones; oxidan el azufre , obteniendo su energía a través de la quimiosíntesis en lugar de la fotosíntesis.
El campo de la termodinámica biológica se centra en los principios de la termodinámica química en biología y bioquímica . Los principios cubiertos incluyen la primera ley de la termodinámica , la segunda ley de la termodinámica , la energía libre de Gibbs , la termodinámica estadística , la cinética de reacción y las hipótesis del origen de la vida. Actualmente, la termodinámica biológica se ocupa del estudio de la dinámica bioquímica interna como: hidrólisis de ATP, estabilidad de proteínas, unión al ADN, difusión de membrana, cinética enzimática, [5]y otras vías esenciales controladas por energía. En términos de termodinámica, la cantidad de energía capaz de realizar un trabajo durante una reacción química se mide cuantitativamente por el cambio en la energía libre de Gibbs . El biólogo físico Alfred Lotka intentó unificar el cambio en la energía libre de Gibbs con la teoría evolutiva.
El sol es la principal fuente de energía para los organismos vivos. Algunos organismos vivos, como las plantas, necesitan la luz solar directamente, mientras que otros organismos, como los humanos, pueden obtener energía del sol indirectamente. [6] Sin embargo, existe evidencia de que algunas bacterias pueden prosperar en entornos hostiles como la Antártida, como lo demuestran las algas verdeazuladas debajo de gruesas capas de hielo en los lagos. No importa cuál sea el tipo de especie viva, todos los organismos vivos deben capturar, transducir, almacenar y usar energía para vivir.
La relación entre la energía de la luz solar entrante y su longitud de onda λ o frecuencia ν viene dada por