Sinds eind 19 ^e eeuw, natuurkundigen hebben geweten over een contra-intuïtieve eigenschap van sommige elektrische circuits die negatieve weerstand wordt genoemd. Typisch, het verhogen van de spanning in een circuit zorgt ervoor dat de elektrische stroom ook toeneemt. Maar onder bepaalde voorwaarden door de spanning te verhogen, kan de stroom in plaats daarvan afnemen. Dit betekent in feite dat harder op de elektrische ladingen drukken ze in feite vertraagt.

Door de relatie tussen stroom, Spanning, en weerstand, in deze situaties produceert de weerstand stroom in plaats van deze te verbruiken, resulterend in een "negatieve weerstand". Vandaag, apparaten met negatieve weerstand hebben een breed scala aan toepassingen, zoals in fluorescentielampen en Gunn-diodes, die worden gebruikt in radarkanonnen en automatische deuropeners, onder andere apparaten.

De meeste bekende voorbeelden van negatieve weerstand komen voor in door mensen ontworpen apparaten in plaats van in de natuur. Echter, in een nieuwe studie gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , Gianmaria Falasco en co-auteurs van de Universiteit van Luxemburg hebben aangetoond dat een analoge eigenschap die negatieve differentiële respons wordt genoemd, in feite een wijdverbreid fenomeen is dat wordt aangetroffen in veel biochemische reacties die plaatsvinden in levende organismen. Ze identificeren de eigenschap in verschillende vitale biochemische processen, zoals enzymactiviteit, DNA-replicatie, en ATP-productie. Het lijkt erop dat de natuur deze eigenschap heeft gebruikt om deze processen te optimaliseren en levende wezens efficiënter te laten werken op moleculaire schaal.

"Deze tegen-intuïtieve, toch is er een algemeen fenomeen gevonden in een schat aan fysieke systemen na de eerste ontdekking in halfgeleiders bij lage temperatuur, " schreven de onderzoekers in hun paper. "We hebben aangetoond dat een negatieve differentiële respons een wijdverbreid fenomeen is in de chemie met grote gevolgen voor de werkzaamheid van biologische en kunstmatige processen."

Zoals de onderzoekers uitlegden, een negatieve differentiële respons kan optreden in biochemische systemen die in contact staan ​​met meerdere biochemische reservoirs. Elk reservoir probeert het systeem naar een ander evenwichtspunt te trekken (zoals een balanspunt), zodat het systeem voortdurend wordt blootgesteld aan concurrerende thermodynamische krachten.

Wanneer een systeem in evenwicht is met zijn omgeving, elke kleine verstoring, of lawaai, die de reservoirs aantasten, zullen doorgaans leiden tot een verhoging van de productiesnelheid van een bepaald product, volgens positieve entropie. De productiesnelheid van een product kan worden gezien als een chemische stroom. Van dit perspectief, de toename van ruis die een toename van de chemische stroom veroorzaakt, is analoog aan het "normale" geval in elektrische circuits waarin een toename van de spanning een toename van de elektrische stroom veroorzaakt.

Maar wanneer een systeem dat in contact staat met meerdere reservoirs uit evenwicht raakt, het kan anders reageren op ruis. In een systeem dat niet in evenwicht is, andere factoren spelen een rol, zodat een toename van ruis de chemische stroom vermindert. Deze negatieve differentiële respons is analoog aan het geval waarin elektrische circuits een negatieve weerstand vertonen.

In hun werk, de onderzoekers identificeerden verschillende biologische processen die negatieve differentiële reacties hebben. Een voorbeeld is substraatremming, dat is een proces dat door enzymen wordt gebruikt om hun vermogen om chemische reacties te katalyseren te reguleren. Wanneer een enkel substraatmolecuul bindt aan een enzym, het resulterende enzym-substraatcomplex vervalt tot een product, het opwekken van een chemische stroom. Anderzijds, wanneer de substraatconcentratie hoog is, twee substraatmoleculen kunnen binden aan een enzym, en deze dubbele binding voorkomt dat het enzym meer product produceert. Omdat een toename van de concentratie van het substraatmolecuul een afname van de chemische stroom veroorzaakt, dit is een negatieve differentiële reactie.

Als tweede voorbeeld de onderzoekers toonden aan dat er ook een negatieve differentiële respons optreedt bij autokatalytische reacties - "zelfkatalytische" reacties, of reacties die producten produceren die de reactie zelf katalyseren. Autokatalytische reacties vinden plaats in het hele lichaam, zoals bij DNA-replicatie en ATP-productie tijdens glycolyse. De onderzoekers toonden aan dat negatieve differentiële reacties kunnen optreden wanneer twee autokatalytische reacties gelijktijdig plaatsvinden in de aanwezigheid van twee verschillende chemische concentraties (reservoirs) in een systeem dat niet in evenwicht is.

De onderzoekers identificeerden ook negatieve differentiële reacties bij dissipatieve zelfassemblage, een proces waarbij energie nodig is om een ​​systeem zichzelf te laten assembleren, waardoor het verre van evenwicht is. Dissipatieve zelfassemblage vindt plaats, bijvoorbeeld, in de ATP-aangedreven zelfassemblage van actinefilamenten - de lange, dunne microstructuren in het cytoplasma van cellen die cellen hun structuur geven.

De natuur doet alles met een reden, en de aanwezigheid van negatieve differentiële respons in levende organismen is geen uitzondering. De onderzoekers toonden aan dat deze eigenschap voordelen biedt voor biochemische processen, vooral in termen van energie-efficiëntie. Bij substraatremming, bijvoorbeeld, het stelt een systeem in staat om homeostase te bereiken met minder energie dan anders nodig zou zijn. In dissipatieve zelfassemblage, de negatieve differentiële respons stelt het systeem in staat een bijna optimale signaal-ruisverhouding te realiseren, uiteindelijk het verhogen van de efficiëntie van het zelfassemblageproces.

© 2019 Wetenschap X Netwerk