Kontraintuitiv fysik ejendom viste sig at være udbredt i levende organismer

Lige siden slutningen af ​​19 ^th århundrede, fysikere har kendt til en kontraintuitiv egenskab ved nogle elektriske kredsløb kaldet negativ modstand. Typisk, øger spændingen i et kredsløb også den elektriske strøm til at stige. Men under visse betingelser, forøgelse af spændingen kan få strømmen til at falde i stedet. Dette betyder dybest set, at skubber hårdere på de elektriske ladninger faktisk bremser dem.

På grund af forholdet mellem nuværende, spænding, og modstand, i disse situationer producerer modstanden mere strøm end at forbruge den, hvilket resulterer i en "negativ modstand". I dag, enheder med negativ modstand har en lang række applikationer, såsom i lysstofrør og Gunn -dioder, som bruges i radarpistoler og automatiske døråbnere, blandt andre enheder.

De fleste kendte eksempler på negativ modstand forekommer i menneskeskabte apparater frem for i naturen. Imidlertid, i en ny undersøgelse offentliggjort i New Journal of Physics , Gianmaria Falasco og medforfattere fra University of Luxembourg har vist, at en analog egenskab kaldet negativ differentialrespons faktisk er et udbredt fænomen, der findes i mange biokemiske reaktioner, der opstår i levende organismer. De identificerer ejendommen i flere vitale biokemiske processer, såsom enzymaktivitet, DNA -replikation, og ATP produktion. Det ser ud til, at naturen har brugt denne egenskab til at optimere disse processer og få levende ting til at fungere mere effektivt på molekylær skala.

"Dette modstridende, alligevel er der fundet et almindeligt fænomen i et væld af fysiske systemer efter dets første opdagelse i lavtemperatur halvledere, "skrev forskerne i deres papir." Vi har vist, at en negativ differentialrespons er et udbredt fænomen inden for kemi med store konsekvenser for effekten af ​​biologiske og kunstige processer. "

Som forskerne forklarede, en negativ differentialrespons kan forekomme i biokemiske systemer, der er i kontakt med flere biokemiske reservoirer. Hvert reservoir forsøger at trække systemet til et andet ligevægtspunkt (som et balancepunkt), så systemet konstant udsættes for konkurrerende termodynamiske kræfter.

Når et system er i ligevægt med sine omgivelser, enhver lille forstyrrelse, eller støj, påvirkning af reservoirerne vil typisk forårsage en stigning i produktionshastigheden for et eller andet produkt, i overensstemmelse med positiv entropi. Produktets hastighed kan betragtes som en kemisk strøm. Fra dette perspektiv, stigningen i støj, der forårsager en stigning i kemisk strøm, er analog med det "normale" tilfælde i elektriske kredsløb, hvor en stigning i spænding forårsager en stigning i elektrisk strøm.

Men når et system i kontakt med flere reservoirer kommer ud af ligevægt, det kan reagere forskelligt på støj. I et system uden for ligevægt, yderligere faktorer spiller ind, så en stigning i støj reducerer den kemiske strøm. Denne negative differentielle reaktion er analog med det tilfælde, hvor elektriske kredsløb udviser negativ modstand.

I deres arbejde, forskerne identificerede flere biologiske processer, der har negative differentielle reaktioner. Et eksempel er substratinhibering, som er en proces, der bruges af enzymer til at regulere deres evne til at katalysere kemiske reaktioner. Når et enkelt substratmolekyle binder sig til et enzym, det resulterende enzym-substratkompleks henfalder til et produkt, generere en kemisk strøm. På den anden side, når substratkoncentrationen er høj, to substratmolekyler kan binde til et enzym, og denne dobbeltbinding forhindrer enzymet i at producere mere produkt. Da en stigning i substratmolekylkoncentrationen forårsager et fald i den kemiske strøm, dette er en negativ differential respons.

Som et andet eksempel, forskerne viste, at en negativ differentialrespons også forekommer i autokatalytiske reaktioner-"selvkatalyserende" reaktioner, eller reaktioner, der producerer produkter, der katalyserer selve reaktionen. Autokatalytiske reaktioner forekommer i hele kroppen, såsom i DNA -replikation og ATP -produktion under glykolyse. Forskerne viste, at negative differentielle reaktioner kan opstå, når to autokatalytiske reaktioner opstår samtidigt i nærvær af to forskellige kemiske koncentrationer (reservoirer) i et system uden for ligevægt.

Forskerne identificerede også negative differentielle reaktioner i dissipativ selvsamling, en proces, hvor energi er nødvendig for et system til at samle sig selv, gør det langt fra ligevægt. Dissipativ selvsamling opstår, for eksempel, i den ATP-drevne selvsamling af aktinfilamenter-den lange, tynde mikrostrukturer i cellens cytoplasma, der giver celler deres struktur.

Naturen gør alt af en grund, og tilstedeværelsen af ​​negativ differentialrespons i levende organismer er ingen undtagelse. Forskerne viste, at denne egenskab giver fordele for biokemiske processer hovedsageligt med hensyn til energieffektivitet. Ved substrathæmning, for eksempel, det giver et system mulighed for at nå homeostase med mindre energi end ellers ville være påkrævet. Ved dissipativ selvsamling, den negative differentialrespons gør det muligt for systemet at realisere et næsten optimalt signal-til-støj-forhold, i sidste ende øge effektiviteten af ​​selvmonteringsprocessen.

© 2019 Science X Network