热力学基础
“在这个家里，我们遵守热力学定律。”荷马在《辛普森一家》(The Simpsons) 的一集中如此宣称。生命纷繁复杂、多种多样，从细菌细胞到人类社会，无不遵循热力学基本定律。要揭示生命的本质，就必须理解生物体如何获取和调控能量以维持自身并进行自我复制。
从根本上说，生物热力学建立在经典热力学原理之上。第一定律指出，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化。焓由这一原理导出，可定义为化学过程在恒压下放出或吸收的热量。第二定律规定，一个过程若要自发进行，必须使宇宙的熵增加。最后，热力学第三定律指出，当系统温度趋近绝对零度时，其熵趋近于一个常数。
一般而言，放热反应（释放能量、因而焓值为负的过程）会自发进行。然而，在某些情况下，吸热反应无需外部能量供给也能发生，此时熵是驱动力。吉布斯自由能 (Gibbs Free Energy) 正是通过以下方程将这两个热力学量联系起来的参数：
其中 ∆G 为吉布斯自由能，∆H 为过程的焓变，T 为温度，∆S 为系统的熵变。∆G 为负值表示过程为放能过程，可自发进行；而 ∆G 为正值时，过程需要外部供能才能发生。
细胞：热力学微型机器
生物体能够利用化学梯度产生能量。某些生物体可以利用光来获取其代谢所需的能量（光合作用）。另一种方式则利用还原-氧化（氧化还原）反应，从参与反应的物质之间的电子转移中获取能量。储存这种能量最直接、最常见的方式，是在二磷酸腺苷与磷酸根离子之间形成化学键，生成三磷酸腺苷 (ATP)。这一化学键是可逆的，需要能量时可将 ATP 分子裂解。
代谢反应可分为两类：
- 分解代谢：指将复杂分子分解为较简单组分的化学反应，在此过程中释放储存在化学键中的能量。
- 合成代谢：指由较小的结构单元合成分子的代谢途径。在这种情况下，需要供给能量。
可以理解，吉布斯自由能以及生物体可利用的底物将决定哪些代谢方式是可行的。不同的化学反应会产生不同的能量，为细胞提供动力。例如，葡萄糖在有氧条件下氧化会释放大量能量，因此好氧异养生物的倍增时间（微生物培养物中个体数量翻倍所需的时间）非常短。其他反应的效率则没有那么高，这一点可以从氧化还原塔中看出：
E 为反应的电势，定义为氧化/还原反应中单位电荷可提供的能量。电势 (E) 与吉布斯自由能之间的关系非常直接，可用以下方程表示：
其中 n 为转移的电子数，F 为法拉第常数 96,485 J/(V⋅mol)。
吉布斯自由能与细胞生长
化学反应已在热力学上得到广泛表征，并据此建立了包含焓、熵和吉布斯自由能等数值的数据表。然而，由于细胞本身的复杂性，这方面的研究相对滞后。尽管如此，人们已在努力尝试表征微生物生物质的性质。
在这项具有里程碑意义的研究中，我们可以看到不同微生物物种具有不同的 ∆G 值。由此可以直接得出的结论是：细胞要进行自我复制，就需要分配能量来合成新的生物质。而这一过程所需的能量应来自前文提到的氧化还原反应。这些反应的产率将决定可用能量的多少，以及细胞能否进行复制。近期研究试图找出吉布斯自由能与微生物生长之间的关系，凸显了热力学在生命中的重要性。
为何揭示生物热力学至关重要
尽管生命是细胞内相互关联的化学反应交织而成的极其复杂的网络，但它与基础化学遵循同样的基本原理。在生命求存的过程中，诸如能量既不能被创造也不能被消灭、宇宙趋向于熵增等定律，奠定了生命的基本规则。吉布斯自由能作为关键因素，决定着这些化学反应能否自发进行。生物体作为微小的生物机器，能够利用自发化学反应释放的能量来驱动自身代谢。
这正是揭示生物热力学至关重要的原因。这些知识的影响深远：它将帮助我们了解生物体能够生长到何种程度；它将为我们提供优化工艺的工具，将细胞的能量分配导向我们感兴趣的产物；它还能告诉我们生物体可以在何种环境中生长，从而为天体生物学等新奇领域打开大门。绝热量热和模拟等工具在这方面可以提供不可估量的帮助。