162 DeUXiÈMe partie La cellule
contenue dans les aliments que mange l’ours brun
(figure 8.3a) est transformée en énergie cinétique qui
lui permet de courir (figure 8.3b) ; le reste se perd sous
forme de chaleur, laquelle se disperse rapidement
dans l’environnement.
Lorsque des réactions chimiques effectuent diverses
formes de travail, les cellules vivantes convertissent
inévitablement en chaleur d’autres formes organisées
d’énergie. Un système peut utiliser de la chaleur pour accomplir un travail seulement si une différence de température
provoque la diffusion de la chaleur d’un endroit plus chaud
vers un endroit plus froid. Si la température est uniforme,
comme à l’intérieur d’une cellule (trop petite pour qu’il y ait
des variations thermiques significatives), l’énergie thermique
sert uniquement à réchauffer une portion de matière, comme
un organisme. (La chaleur ainsi produite peut rendre inconfortable une pièce bondée, car une multitude de réactions
chimiques se déroulent dans le corps de chaque personne.)
Cette perte d’énergie utilisable lors d’un transfert ou d’une
transformation d’énergie a une conséquence logique : chacun
de ces événements rend l’Univers plus désordonné. Les scientifiques utilisent une fonction appelée entropie pour mesurer
ce désordre. Plus un système tend vers le désordre, plus son
entro pie est élevée. Nous pouvons donc formuler ainsi le
deuxième principe de la thermodynamique : tout échange
d’énergie augmente l’entropie de l’Univers. Bien que l’ordre puisse
croître localement, l’Univers entier tend irrémédiablement
vers un désordre accru.
Dans de nombreux cas, l’augmentation de l’entropie est
évidente : il suffit d’observer la dégradation physique de la
structure organisée d’un système, par exemple un immeuble
abandonné ou une chambre qu’on ne range jamais. Cependant, une grande partie de l’entropie croissante de l’Univers
est moins apparente, parce qu’elle prend la forme d’une augmentation de la quantité de chaleur et d’une désorganisation
accrue de la matière. En convertissant l’énergie chimique
en énergie cinétique, l’ours brun de la figure 8.3b accroît le
désordre de son environnement sous forme de chaleur et de
petites molécules, qui sont les produits de la dégradation des
aliments ingérés.
Le concept d’entropie nous aide à comprendre pourquoi
certains processus se réalisent sans apport énergétique. Dans
les explications qui vont suivre, le terme processus spontané décrit un processus qui peut se produire sans apport
énergétique extérieur. Notez qu’ici le qualificatif spontané ne
signifie pas qu’il se produira rapidement, mais plutôt qu’il
sera thermodynamiquement favorisé. (En fait, vous comprendrez mieux ce qui suit si vous prenez le terme spontané dans le
sens de processus qui se produit de lui-même, sans cause extérieure, et si vous le remplacez par thermodynamiquement
favorisé.) Certains processus spontanés sont pratiquement
instantanés, comme une explosion, mais d’autres sont beaucoup plus lents, comme la rouille d’une vieille voiture au fil du
temps. Un processus qui ne peut pas se produire de luimême
est dit non spontané. Ce type de processus a lieu seulement si
de l’énergie s’ajoute au système. Nous savons par expérience
que certains événements surviennent spontanément, et d’autres
non. Par exemple, l’eau coule spontanément vers le bas,
tandis qu’elle a besoin d’énergie pour monter (une machine
devra la pousser, par exemple, contre la force gravitationnelle).
Autrement dit, on pourrait reformuler le deuxième principe
de la thermodynamique de la façon suivante : pour se produire
spontanément, un processus doit augmenter l’entropie de l’Univers.
Ordre et désordre biologiques
Les systèmes vivants accroissent l’entropie de leur environnement, comme le prévoit le deuxième principe de la thermodynamique. Il est vrai que les cellules créent des structures
complexes à partir de matériaux de départ simples. Ainsi, les
molécules les plus simples sont agencées de manière à former
une structure plus complexe, un acide aminé par exemple, et à
leur tour les acides aminés s’associent pour former des chaînes
polypeptidiques. De même, à l’échelle des organismes, les structures complexes et magnifiquement ordonnées comme celles
qu’on voit à la figure 8.4 résultent de processus biologiques
qui utilisent des matériaux de départ plus simples. Cependant,
un organisme peut également puiser dans son environnement
des formes organisées de matière et d’énergie et les remplacer
par des formes moins ordonnées. Ainsi, en consommant des
aliments, un animal obtient de l’amidon, des protéines et
d’autres molécules complexes. En les dégradant, il libère du
dioxyde de carbone et de l’eau, de petites molécules simples
qui emmagasinent moins d’énergie que les aliments de départ.
C’est la chaleur générée par les réactions de dégradation qui
explique cette réduction de l’énergie chimique. À une plus
vaste échelle, l’énergie pénètre dans un écosystème sous
forme de lumière et le quitte sous forme de chaleur (voir la
figure 1.6, p. 7).
Lorsque la vie est apparue, des organismes complexes ont
évolué à partir d’ancêtres plus simples. Par exemple, il est possible de remonter la lignée du règne végétal jusqu’aux algues
vertes, des êtres vivants très simples. L’accroissement de
l’organisation des organismes avec le temps ne va pas à l’encontre du deuxième principe de la thermodynamique. En
effet, l’entro pie d’un système donné peut diminuer, pourvu
que l’entropie totale de l’Univers (soit le système et son environnement) augmente. En conséquence, les organismes sont
des îlots de faible entropie dans un Univers de plus en plus
désordonné. L’évolution du caractère ordonné des êtres
vivants est donc parfaitement en harmonie avec les principes
de la thermodynamique.
m Figure 8.4 L’ordre en tant que caractéristique de la vie.
plantegrasse.Entantquesystèmesouverts,lesorganismespeuventaccroîtreleurordre,pourvuquel’ordredeleurenvironnementdiminue.
contenue dans les aliments que mange l’ours brun
(figure 8.3a) est transformée en énergie cinétique qui
lui permet de courir (figure 8.3b) ; le reste se perd sous
forme de chaleur, laquelle se disperse rapidement
dans l’environnement.
Lorsque des réactions chimiques effectuent diverses
formes de travail, les cellules vivantes convertissent
inévitablement en chaleur d’autres formes organisées
d’énergie. Un système peut utiliser de la chaleur pour accomplir un travail seulement si une différence de température
provoque la diffusion de la chaleur d’un endroit plus chaud
vers un endroit plus froid. Si la température est uniforme,
comme à l’intérieur d’une cellule (trop petite pour qu’il y ait
des variations thermiques significatives), l’énergie thermique
sert uniquement à réchauffer une portion de matière, comme
un organisme. (La chaleur ainsi produite peut rendre inconfortable une pièce bondée, car une multitude de réactions
chimiques se déroulent dans le corps de chaque personne.)
Cette perte d’énergie utilisable lors d’un transfert ou d’une
transformation d’énergie a une conséquence logique : chacun
de ces événements rend l’Univers plus désordonné. Les scientifiques utilisent une fonction appelée entropie pour mesurer
ce désordre. Plus un système tend vers le désordre, plus son
entro pie est élevée. Nous pouvons donc formuler ainsi le
deuxième principe de la thermodynamique : tout échange
d’énergie augmente l’entropie de l’Univers. Bien que l’ordre puisse
croître localement, l’Univers entier tend irrémédiablement
vers un désordre accru.
Dans de nombreux cas, l’augmentation de l’entropie est
évidente : il suffit d’observer la dégradation physique de la
structure organisée d’un système, par exemple un immeuble
abandonné ou une chambre qu’on ne range jamais. Cependant, une grande partie de l’entropie croissante de l’Univers
est moins apparente, parce qu’elle prend la forme d’une augmentation de la quantité de chaleur et d’une désorganisation
accrue de la matière. En convertissant l’énergie chimique
en énergie cinétique, l’ours brun de la figure 8.3b accroît le
désordre de son environnement sous forme de chaleur et de
petites molécules, qui sont les produits de la dégradation des
aliments ingérés.
Le concept d’entropie nous aide à comprendre pourquoi
certains processus se réalisent sans apport énergétique. Dans
les explications qui vont suivre, le terme processus spontané décrit un processus qui peut se produire sans apport
énergétique extérieur. Notez qu’ici le qualificatif spontané ne
signifie pas qu’il se produira rapidement, mais plutôt qu’il
sera thermodynamiquement favorisé. (En fait, vous comprendrez mieux ce qui suit si vous prenez le terme spontané dans le
sens de processus qui se produit de lui-même, sans cause extérieure, et si vous le remplacez par thermodynamiquement
favorisé.) Certains processus spontanés sont pratiquement
instantanés, comme une explosion, mais d’autres sont beaucoup plus lents, comme la rouille d’une vieille voiture au fil du
temps. Un processus qui ne peut pas se produire de luimême
est dit non spontané. Ce type de processus a lieu seulement si
de l’énergie s’ajoute au système. Nous savons par expérience
que certains événements surviennent spontanément, et d’autres
non. Par exemple, l’eau coule spontanément vers le bas,
tandis qu’elle a besoin d’énergie pour monter (une machine
devra la pousser, par exemple, contre la force gravitationnelle).
Autrement dit, on pourrait reformuler le deuxième principe
de la thermodynamique de la façon suivante : pour se produire
spontanément, un processus doit augmenter l’entropie de l’Univers.
Ordre et désordre biologiques
Les systèmes vivants accroissent l’entropie de leur environnement, comme le prévoit le deuxième principe de la thermodynamique. Il est vrai que les cellules créent des structures
complexes à partir de matériaux de départ simples. Ainsi, les
molécules les plus simples sont agencées de manière à former
une structure plus complexe, un acide aminé par exemple, et à
leur tour les acides aminés s’associent pour former des chaînes
polypeptidiques. De même, à l’échelle des organismes, les structures complexes et magnifiquement ordonnées comme celles
qu’on voit à la figure 8.4 résultent de processus biologiques
qui utilisent des matériaux de départ plus simples. Cependant,
un organisme peut également puiser dans son environnement
des formes organisées de matière et d’énergie et les remplacer
par des formes moins ordonnées. Ainsi, en consommant des
aliments, un animal obtient de l’amidon, des protéines et
d’autres molécules complexes. En les dégradant, il libère du
dioxyde de carbone et de l’eau, de petites molécules simples
qui emmagasinent moins d’énergie que les aliments de départ.
C’est la chaleur générée par les réactions de dégradation qui
explique cette réduction de l’énergie chimique. À une plus
vaste échelle, l’énergie pénètre dans un écosystème sous
forme de lumière et le quitte sous forme de chaleur (voir la
figure 1.6, p. 7).
Lorsque la vie est apparue, des organismes complexes ont
évolué à partir d’ancêtres plus simples. Par exemple, il est possible de remonter la lignée du règne végétal jusqu’aux algues
vertes, des êtres vivants très simples. L’accroissement de
l’organisation des organismes avec le temps ne va pas à l’encontre du deuxième principe de la thermodynamique. En
effet, l’entro pie d’un système donné peut diminuer, pourvu
que l’entropie totale de l’Univers (soit le système et son environnement) augmente. En conséquence, les organismes sont
des îlots de faible entropie dans un Univers de plus en plus
désordonné. L’évolution du caractère ordonné des êtres
vivants est donc parfaitement en harmonie avec les principes
de la thermodynamique.
m Figure 8.4 L’ordre en tant que caractéristique de la vie.
plantegrasse.Entantquesystèmesouverts,lesorganismespeuventaccroîtreleurordre,pourvuquel’ordredeleurenvironnementdiminue.