发现违反直觉的物理特性在生物体中广泛存在

自从已故19 个世纪，物理学家已经知道一些所谓的负性电子电路的违反直觉的财产。通常，增加电路中的电压也会导致电流增加。但在某些情况下，增加电压会导致电流减小。这基本上意味着对电荷施加更大的压力实际上会减慢它们的速度。

由于电流，电压和电阻之间的关系，在这些情况下，电阻产生功率而不是消耗它，导致“负阻”。今天，负电阻器件具有广泛的应用，例如荧光灯和耿氏二极管，其用于雷达枪和自动开门器等设备中。

大多数已知的负电阻示例发生在人工设备中而不是在自然界中。然而，在新物理学杂志上发表的一项新研究中，Gianmaria Falasco和卢森堡大学的共同作者表明，一种称为负差异反应的类似性质实际上是一种普遍存在的现象，存在于生物体内发生的许多生化反应中。 。他们在几个重要的生化过程中识别属性，例如酶活性，DNA复制和ATP产生。似乎大自然利用这种特性来优化这些过程，并使生物在分子尺度上更有效地运作。

研究人员在他们的论文中写道：“在低温半导体首次发现这种物理系统之后，已发现这种违反直觉的常见现象。” “我们已经证明，负差异响应是化学中普遍存在的现象，对生物和人工过程的功效产生重大影响。”

正如研究人员所解释的那样，在与多个生化池相接触的生化系统中会出现负差异响应。每个储层试图将系统拉到不同的平衡点(如平衡点)，这样系统就会不断暴露于竞争的热力学力。

当系统与其周围环境平衡时，影响储层的任何小扰动或噪声通常将导致某些产品的生产率增加，这与正熵相符。产品的生产率可以被认为是化学电流。从这个角度来看，引起化学电流增加的噪声的增加类似于电路中的“正常”情况，其中电压的增加导致电流的增加。

但是当与多个储层接触的系统变得不平衡时，它可能对噪声作出不同的反应。在非平衡系统中，其他因素起作用，因此噪声的增加会降低化学电流。该负差分响应类似于电路呈现负电阻的情况。

在他们的工作中，研究人员确定了几种具有负差异反应的生物过程。一个例子是底物抑制，其是酶用于调节它们催化化学反应的能力的过程。当单个底物分子与酶结合时，所得的酶 - 底物复合物衰变成产物，产生化学电流。另一方面，当底物浓度高时，两种底物分子可能与酶结合，这种双重结合阻止酶产生更多的产物。随着底物分子浓度的增加导致化学电流的降低，这是负的差异响应。

作为第二个例子，研究人员表明，在自催化反应中也会发生负差异响应 - “自催化”反应，或产生催化反应本身的产物的反应。自身催化反应在整个身体中发生，例如在糖酵解过程中的DNA复制和ATP产生。研究人员表明，当两个不同的化学浓度(储层)在非平衡系统中同时发生两个自催化反应时，会出现负差异响应。

研究人员还发现了耗散自组装中的负差分响应，这是一个系统自组装需要能量，使其远离平衡的过程。例如，耗散性自组装发生在ATP驱动的肌动蛋白丝的自组装中 - 细胞的细胞质中的细长微结构赋予细胞结构。

大自然做的一切都是有原因的，生物体内负面差异反应的存在也不例外。研究人员表明，这种特性主要在能源效率方面为生化过程带来了优势。例如，在底物抑制中，它允许系统以比其他方式需要的更少的能量达到稳态。在耗散自组装中，负差分响应允许系统实现几乎最佳的信噪比，最终提高自组装过程的效率。