Жива система, як і будь-яка інша природна система, підпорядковується законам термодинаміки. Елементи живого організму постійно руйнуються і будуються знову. Цей процес носить назву біовідновлення. Для його забезпечення потрібна безперервний притік іззовні речовини і енергії, а також висновок у зовнішнє середовище частини продуктів біохімічних процесів, включаючи тепло. Таким чином, будь-які функціонують організми обов'язково є неізольованими, відкритими термодинамічними системами. Завдяки потокам речовини і енергії, що проходить через ці системи, вони є такженеравновеснимі. Якщо умови існування системи незмінні, то зазначені потоки постійні. В цьому випадку нерівноважний стан стаціонарно, тобто воно не змінюється з часом (це називають такжедінаміческім рівновагою). Подібно до того, як в термодинаміки рівноважних систем особливим станом є рівноважний стан, в термодинаміки нерівноважних систем особливу роль відіграють стаціонарні стану.
Для живих систем, які завжди нерівноважні, але підтримуються в стаціонарному стані, це означає наступне:
1) протягом часу життя системи її елементи постійно піддаються розпаду, зумовленого збільшенням ентропії;
2) для компенсації виникає в результаті розпаду невпорядкованості в системі відбувається робота в формі процесів синтезу елементів замість розпалися; ця робота обумовлює негативну добавку ентропії. Такі процеси створюють впорядкованість.
Всі функції живих систем, що вимагають витрачання енергії, повинні забезпечуватися зовнішніми джерелами. Ними є органічні речовини з запасеної в них хімічної енергією. Частина організмів синтезує ці речовини всередині себе з неорганічних речовин. Наприклад, з вуглекислого газу і води під дією сонячного світла (такий процес називається фотосинтезом) або в процесі окислення (хемосинтез в деяких бактеріях). Ці організми називаютсяавтотрофамі. Більшість автотрофов - це зелені рослини. Інша частина організмів (наприклад, всі тварини і людина), називаемихгетеротрофамі. пристосувалася до споживання енергії з готових органічних речовин, синтезованих автотрофами.
Живильні органічні речовини, що поглинаються гетеротрофами, мають більшу впорядкованістю (меншою ентропією), ніж виділяються продукти обміну. Організми гетеротрофов переносять впорядкованість (негентропії) із зовнішнього середовища в самих себе. Для автотрофов ця ж мета досягається шляхом виконання внутрішньої роботи за рахунок енергії електромагнітного випромінювання Сонця.
Таким чином, призначення метаболізму, тобто обміну речовин живої системи з зовнішнім середовищем, полягає в підтримці певного рівня організації цієї системи і її частин. Ця мета досягається за рахунок відбору ззовні речовин і енергії, які забезпечують хімічний синтез необхідних організму сполук, а також висновок з живої системи всього, що не може бути нею використано. Метаболізм необхідний для протидії збільшенню ентропії, зумовленого необоротними процесами в живій системі.
Так, при фотосинтезі в автотрофом енергія світлових квантів запасається у вигляді енергії хімічних зв'язків в молекулах органічних речовин. Вихідними сполуками для фотосинтезу служать прості, бідні енергією неорганічні речовини - СО2 і Н2 О. З них будуються складні багаті енергією поживні речовини:
Витяг енергії з поживних речовин відбувається при їх розщепленні (катаболизме), коли хімічна енергія звільняється і витрачається на синтез в організменеобходімих йому органічних речовин (анаболізм). При використанні кисню (диханні) розщеплення призводить до бідних енергією кінцевих продуктів:
Вихідною органікою можуть служити глюкоза, жири та ін. Останнє рівняння однаково з рівнянням горіння, однак при диханні енергія виділяється малими порціями. Регулює процес виділення енергії дозволяє запасати її частина для швидкого використання в певній ситуації в потрібному місці організму. Зберігання енергії виробляється в формі хімічної енергії проміжного з'єднання - вже згадуваного нами аденозинтрифосфату (АТФ). Це вид нуклеїнових кислот з високоенергетичними зв'язками, при розриві яких звільняється необхідна організму енергія. Ця енергія витрачається на процеси синтезу в клітинах, роботу з перенесення речовин в організмі, механічні рухи, виділення тепла і т. Д. Таким чином, весь потік енергії, що надходить з навколишнього середовища у формі хімічної енергії харчових продуктів, проходить через стадію високоенергетичних зв'язків АТФ .
Між двома типами організмів - авто- і гетеротрофами - існують харчові (трофічні) зв'язку. Живі системи образуютпіщевие ланцюжка. енергія, накопичена при фотосинтезі рослинами, передається через травоїдних до хижаків; заключітельнимзвеном харчового ланцюжка є мікроби, які переробляють речовину відмерлих організмів в неорганічні речовини. В подальшому ці молекули знову можуть брати участь в утворенні живих систем. У підсумку в біосфері сформувався глобальний кругообіг речовин, який обумовлений так званими биогеохимическими циклами. Основними є цикли звернення в біосфері води, а також елементів, з яких складаються живі системи.
Першоджерелом енергетичного потоку, що проходить крізь все харчові ланцюжки в біосфері, служить енергія сонячного електромагнітного випромінювання, що потрапляє на поверхню Землі у видимому діапазоні (світло). Фіналом перетворень в харчових ланцюжках є звільнення енергії у вигляді тепла при переробці мікробами органічних залишків. Вся вивільнена в процесі життєдіяльності в біосфері енергія повертається поверхнею Землі в світовий простір головним чином у вигляді електромагнітного випромінювання інфрачервоного діапазону.
У глобальному енергетичному балансі принципово важливо, що ентропія що надходить на землю короткохвильового випромінювання менше, ніж ентропія довгохвильового інфрачервоного випромінювання, перєїзлучать Землею. За рахунок цієї негативної різниці ентропії на поверхні Землі можливе утворення і підтримання впорядкованих структур (як це відбувається і в багатьох інших природних системах). Вся біосфера Землі являє собою високоорганізовану систему, впорядкованість в якій підтримується за рахунок негативного ентропійного балансу.
У живій системі реалізується механізм самоврядування та самоорганізації на основі безперервного обміну інформацією з зовнішнім середовищем. Це забезпечує вироблення самим організмом реакцій, спрямованих на максимальне його пристосування до умов, що змінюються условіям.Самоорганізація - це процес створення, підтримки і вдосконалення складної системи без керуючого втручання ззовні. Самоорганізація та самоврядування в живій системі неможливі без інформаційних зв'язків між її елементами.
Самоврядування в живих системах і цілі, які воно переслідує, мають багаторівневий характер, а між рівнями існує підпорядкованість (ієрархія). Мета першого порядку - забезпечити існування системи. Вона досягається підтриманням неравновесного стаціонарного стану. Після досягнення цієї мети жива система здійснює підтримання сталості параметрів внутрішнього середовища -гомеостаз (мета другого порядку). Гомеостаз є необхідною умовою високої якості функціонування системи. Мета третього порядку - досягнення оптимальних в даних умовах показників існування живої системи, зокрема максимальної енергетичної ефективності і надійності її функціонування. Найважливішим інформаційним аспектом у функціонуванні живих організмів є наявність в них так званих зворотних связей.Прінціпобратних зв'язків є одним з основних принципів самоврядування і самоорганізації.
Позитивні зворотні зв'язки здійснюють такий тип регулювання, який веде стан живої системи від початкового, і грають роль "підсилювачів" процесів життєдіяльності. Такого роду зв'язок існує між необмеженими харчовими ресурсами для деякого виду тварин і їх чисельністю. Наявність однієї лише такого зв'язку привело б до постійного зростання чисельності даного віда.Отріцательние зворотні зв'язки, навпаки, служать для підтримки стабільної ситуації в живій системі. Вони забезпечують, наприклад, оптимальну чисельність популяцій в біоценозі, стабільну температуру організму і т. Д.