Ända sedan slutet av 19 ^th århundrade, fysiker har känt till en motintuitiv egenskap hos vissa elektriska kretsar som kallas negativt motstånd. Vanligtvis, att öka spänningen i en krets gör att den elektriska strömmen ökar också. Men under vissa förutsättningar, att öka spänningen kan leda till att strömmen minskar istället. Detta betyder i grunden att det att driva hårdare på de elektriska laddningarna faktiskt saktar ner dem.

På grund av förhållandet mellan nuvarande, Spänning, och motstånd, i dessa situationer ger motståndet kraft istället för att förbruka det, vilket resulterar i ett "negativt motstånd". I dag, enheter med negativ motstånd har en mängd olika applikationer, såsom i lysrör och Gunn -dioder, som används i radarpistoler och automatiska dörröppnare, bland andra enheter.

De flesta kända exemplen på negativ resistens förekommer i apparater som konstruerats av människor snarare än i naturen. Dock, i en ny studie publicerad i New Journal of Physics , Gianmaria Falasco och medförfattare från University of Luxembourg har visat att en analog egenskap som kallas negativ differentialrespons faktiskt är ett utbrett fenomen som finns i många biokemiska reaktioner som uppstår i levande organismer. De identifierar fastigheten i flera vitala biokemiska processer, såsom enzymaktivitet, DNA-replikation, och ATP -produktion. Det verkar som om naturen har använt denna egenskap för att optimera dessa processer och få levande saker att fungera mer effektivt i molekylskala.

"Detta kontraintuitivt, men vanligt fenomen har hittats i en mängd fysiska system efter den första upptäckten i halvledare med låg temperatur, "forskarna skrev i sin artikel." Vi har visat att ett negativt differentialsvar är ett utbrett fenomen inom kemi med stora konsekvenser för effekten av biologiska och artificiella processer. "

Som forskarna förklarade, ett negativt differentiellt svar kan uppstå i biokemiska system som är i kontakt med flera biokemiska reservoarer. Varje reservoar försöker dra systemet till en annan jämviktspunkt (som en balanspunkt), så att systemet ständigt utsätts för konkurrerande termodynamiska krafter.

När ett system är i jämvikt med sin omgivning, någon liten störning, eller buller, påverkar magasinen vanligtvis orsakar en ökning av produktionshastigheten för någon produkt, i enlighet med positiv entropi. Produktionshastigheten för en produkt kan ses som en kemisk ström. Ur detta perspektiv, ökningen av brus som orsakar en ökning av kemisk ström är analog med det "normala" fallet i elektriska kretsar där en ökad spänning orsakar en ökning av elektrisk ström.

Men när ett system i kontakt med flera reservoarer tar slut från jämvikt, det kan reagera annorlunda på buller. I ett system som inte är i jämvikt, ytterligare faktorer spelar in, så att en ökning av buller minskar den kemiska strömmen. Detta negativa differentialsvar är analogt med fallet där elektriska kretsar uppvisar negativt motstånd.

I deras arbete, forskarna identifierade flera biologiska processer som har negativa differentialsvar. Ett exempel är substrathämning, vilket är en process som används av enzymer för att reglera deras förmåga att katalysera kemiska reaktioner. När en enda substratmolekyl binder till ett enzym, det resulterande enzym-substratkomplexet sönderfaller till en produkt, generera en kemisk ström. Å andra sidan, när substratkoncentrationen är hög, två substratmolekyler kan binda till ett enzym, och denna dubbelbindning hindrar enzymet från att producera mer produkt. Eftersom en ökning av substratmolekylkoncentrationen orsakar en minskning av den kemiska strömmen, detta är ett negativt differentiellt svar.

Som ett andra exempel, forskarna visade att ett negativt differentiellt svar också förekommer i autokatalytiska reaktioner-"självkatalyserande" reaktioner, eller reaktioner som producerar produkter som katalyserar själva reaktionen. Autokatalytiska reaktioner uppstår i hela kroppen, såsom vid DNA -replikation och ATP -produktion under glykolys. Forskarna visade att negativa differentialsvar kan uppstå när två autokatalytiska reaktioner inträffar samtidigt i närvaro av två olika kemiska koncentrationer (reservoarer) i ett system utan balans.

Forskarna identifierade också negativa differentiella svar vid dissipativ självmontering, en process där energi behövs för att ett system ska montera sig själv, vilket gör det långt ifrån jämvikt. Dissipativ självmontering sker, till exempel, i ATP-driven självmontering av aktinfilament-den långa, tunna mikrostrukturer i cellens cytoplasma som ger cellerna deras struktur.

Naturen gör allt av en anledning, och förekomsten av negativ differentialrespons i levande organismer är inget undantag. Forskarna visade att denna egenskap ger fördelar för biokemiska processer främst när det gäller energieffektivitet. Vid substrathämning, till exempel, det tillåter ett system att nå homeostas med mindre energi än vad som annars skulle krävas. Vid dissipativ självmontering, det negativa differentialsvaret gör att systemet kan uppnå ett nästan optimalt signal-brusförhållande, slutligen öka effektiviteten i självmonteringsprocessen.

© 2019 Science X Network