Еще с конца 19-го века физики знали о противоречивости некоторых электрических цепей, называемых цепями с отрицательным сопротивлением. Как правило, увеличение напряжения в цепи также приводит к увеличению электрического тока. Но в некоторых условиях увеличение напряжения может привести к снижению тока. Это в основном означает, что более сильное воздействие на электрические заряды фактически замедляет их.
Из-за зависимости между током, напряжением и сопротивлением, в этих ситуациях сопротивление производит энергию, а не потребляет ее, что приводит к «отрицательному сопротивлению». Сегодня устройства с отрицательным сопротивлением имеют широкий спектр применения, например, в люминесцентных лампах и автоматических средствах открывания дверей, а также в других устройствах.
Наиболее известные примеры отрицательного сопротивления встречаются в устройствах, созданных человеком, а не природой. Однако в новом исследовании, опубликованном в «New Journal of Physics», Джанмария Фаласко и соавторы из Университета Люксембурга показали, что аналогичное свойство, называемое отрицательным дифференциальным ответом, на самом деле является широко распространенным явлением, которое встречается во многих биохимических реакциях, происходящих в живых организмах.
Они идентифицируют свойство в нескольких жизненно важных биохимических процессах, таких как активность ферментов, репликация ДНК и производство АТФ. Кажется, что природа использовала это свойство, чтобы оптимизировать эти процессы и заставить живые существа работать более эффективно в молекулярном масштабе.
«Это противоречивое, но все же распространенное явление было обнаружено во множестве физических систем после его первого открытия в низкотемпературных полупроводниках», — пишут исследователи в своей статье. «Мы показали, что отрицательный дифференциальный ответ является широко распространенным явлением в химии с серьезными последствиями для эффективности биологических и искусственных процессов».
Как объяснили исследователи, отрицательный дифференциальный ответ может возникнуть в биохимических системах, которые находятся в контакте с несколькими биохимическими резервуарами. Каждый резервуар пытается подтянуть систему к другой точке равновесия, так что система постоянно подвергается воздействию конкурирующих термодинамических сил.
Когда система находится в равновесии с окружающей средой, любое небольшое возмущение или шум, воздействующие на резервуары, как правило, вызывают увеличение производительности некоторого продукта в соответствии с положительной энтропией. Производительность продукта можно рассматривать как химический ток. С этой точки зрения увеличение шума, которое вызывает увеличение химического тока, аналогично «нормальному» случаю в электрических цепях, в котором увеличение напряжения вызывает увеличение электрического тока.
Но когда система, контактирующая с несколькими резервуарами, выходит из равновесия, она может по-разному реагировать на шум. В неравновесной системе в игру вступают дополнительные факторы, так что увеличение шума уменьшает химический ток. Этот отрицательный дифференциальный отклик аналогичен случаю, когда электрические цепи проявляют отрицательное сопротивление.
В своей работе исследователи выявили несколько биологических процессов, которые имеют отрицательные дифференциальные реакции. Одним из примеров является ингибирование субстрата, которое представляет собой процесс, используемый ферментами для регулирования их способности катализировать химические реакции.
Когда одна молекула субстрата связывается с ферментом, полученный комплекс фермент-субстрат распадается в продукт, генерируя химический ток. С другой стороны, когда концентрация субстрата высока, две молекулы субстрата могут связываться с ферментом, и это двойное связывание препятствует ферменту производить больше продукта. Поскольку увеличение концентрации молекулы субстрата вызывает уменьшение химического тока, это отрицательный дифференциальный ответ.
В качестве второго примера, исследователи показали, что отрицательный дифференциальный ответ также возникает в автокаталитических реакциях — «самокатализирующих» реакциях или реакциях, которые производят продукты, которые катализируют саму реакцию. Автокаталитические реакции происходят по всему организму, например, при репликации ДНК и производства АТФ во время гликолиза. Исследователи показали, что отрицательные дифференциальные реакции могут возникать, когда две автокаталитические реакции происходят одновременно в присутствии двух разных химических концентраций (резервуаров) в неравновесной системе.
Ученые также выявили отрицательные дифференциальные реакции при диссипативной самосборке, процессе, в котором энергия необходима для самосборки системы, что делает ее далекой от равновесия. Диссипативная самосборка происходит, например, в самосборке актиновых филаментов под действием АТФ — длинных тонких микроструктур в цитоплазме клеток, которые придают клеткам их структуру.
Природа делает все по определенной причине, и наличие отрицательного дифференциального ответа у живых организмов не является исключением. Исследователи показали, что это свойство дает преимущества для биохимических процессов в основном с точки зрения энергоэффективности.
Например, при ингибировании субстрата это позволяет системе достичь гомеостаза с меньшим количеством энергии, чем требовалось бы в противном случае. При рассеивающей самосборке отрицательный дифференциальный отклик позволяет системе реализовать практически оптимальное отношение сигнал / шум, что в конечном итоге повышает эффективность процесса самосборки.
Gianmaria Falasco et al. «Negative differential response in chemical reactions.» New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/ab28be