Entropie und Leben ^{Q1, Q2}

Entropie und Leben

Lebewesen sind hochgeordnete Systeme, die man als sehr entropiearm bezeichnen müsste. Wieso können Lebewesen überhaupt existieren? Müssten sie nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorchen und ständig "unordentlicher" werden, bis sie schließlich zu Staub zerfallen? Bei allen natürlichen Prozessen nimmt doch die Entropie zu. Lebewesen beginnen aber als winzige Eizelle und werden im Laufe der Entwicklung immer komplexer. Wie passt das zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik?

Schauen wir uns noch einmal den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik an:

Wo steht in dieser Definition, dass die Entropieerhöhung an genau dem Ort stattfinden muss, wo eine biochemische Reaktion abläuft. Der Hauptsatz ist auch dann erfüllt, wenn an einer anderen Stelle die Entropie erhöht wird - irgendwo im Universum.

Eine Lebewesen kann nur wachsen (die Entropie verringern), wenn gleichzeitig viele chemische Reaktionen ablaufen, die die Entropie erhöhen, so dass in der Gesamtsumme die Entropie zunimmt. Wenn zum Beispiel Glucose aerob oxidiert wird nach der bekannten Gleichung

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

entstehen aus 7 Edukt-Teilchen insgesamt 12 Produkt-Teilchen. Eine solche Zunahme der Teilchenzahl ist stets mit einer Entropie-Erhöhung verbunden. Abgesehen davon wird bei der Reaktion auch sehr viel Wärme freigesetzt, die zum Beispiel in Form von Körpertemperatur andere kleinere Teilchen (Wasser, im Zellplasma gelöste Ionen und Moleküle etc.) zum Bewegen oder Schwingen anregt, was ebenfalls die Entropie erhöht.

Stoffwechselbiologie

Die Stoffwechselbiologie beschäftigt sich mit genau diesem Aspekt des Lebens. Lebewesen müssen ständig Nahrung aufnehmen, um daraus Energie zu gewinnen. Diese Energie benötigen sie dann, um ihren hochgeordneten entropiearmen Zustand aufrecht zu erhalten. Mit der aus der Nahrung gewonnenen Energie werden neue Zellen erzeugt, Zellen zu Geweben und Gewebe zu Organen zusammengebaut, Muskeln angetrieben und so weiter. Und auch die Pflanzen benötigen eine ständige Energiezufuhr von außen. Die grünen Pflanzen haben es einfach; sie können dazu das Sonnenlicht nutzen und Photosynthese betreiben. Pilze, Bakterien und ähnliche Lebewesen können das Sonnenlicht nicht direkt nutzen, sie beziehen ihre Energie aus organischen Stoffen oder sogar aus anorganischen Stoffen, indem sie zum Beispiel Schwefel- oder Stickstoffverbindungen oxidieren (Chemosynthese).

Lebewesen und Entropie
Autor: Ulrich Helmich 03/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Bei diesen Energieumwandlungsprozessen zur Aufrechterhaltung der Körperform und der Körperfunktionen wird jede Menge Wärme erzeugt, die nach außen hin abgegeben wird. In der Umgebung des Lebewesens nimmt die Entropie daher zu, und zwar stärker, als es der Entropieabnahme in den Zellen des Lebewesens entspricht. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird daher nicht verletzt.