Ще з кінця 19-го століття фізики знали про суперечливість деяких електричних ланцюгів, званих ланцюгами з негативним опором. Як правило, збільшення напруги в ланцюгу також призводить до збільшення електричного струму. Але в деяких умовах збільшення напруги може призвести до зниження струму. Це в основному означає, що більш сильний вплив на електричні заряди фактично уповільнює їх.
Через залежність між струмом, напругою і опором, у цих ситуаціях опір виробляє енергію, а не споживає її, що призводить до «негативного опору». Сьогодні пристрої з негативним опором мають широкий спектр застосування, наприклад, в люмінесцентних лампах і автоматичних засобах відкривання дверей, а також в інших пристроях.
Найбільш відомі приклади негативного опору зустрічаються в пристроях, створених людиною, а не природою. Однак у новому дослідженні, опублікованому в «New Journal of Physics», Джанмарія Фаласко і співавтори з Університету Люксембургу показали, що аналогічна властивість, звана негативною диференційною відповіддю, насправді є широко поширеним явищем, яке зустрічається в багатьох біохімічних реакціях, що відбуваються в живих організмах.
Вони ідентифікують властивість у декількох життєво важливих біохімічних процесах, таких як активність ферментів, реплікація ДНК і виробництво АТФ. Здається, що природа використовувала цю властивість, щоб оптимізувати ці процеси і змусити живі істоти працювати більш ефективно в молекулярному масштабі.
«Це суперечливе, але все ж поширене явище було виявлене в безлічі фізичних систем після його першого відкриття в низькотемпеолог них напівпровідниках», - пишуть дослідники у своїй статті. «Ми показали, що негативна диференційна відповідь є широко поширеним явищем у хімії з серйозними наслідками для ефективності біологічних і штучних процесів».
Як пояснили дослідники, негативна диференційна відповідь може виникнути в біохімічних системах, які знаходяться в контакті з кількома біохімічними резервуарами. Кожен резервуар намагається підтягнути систему до іншої точки рівноваги, так що система постійно піддається впливу конкуруючих термодинамічних сил.
Коли система знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем, будь-яке невелике обурення або шум, що впливають на резервуари, як правило, викликають збільшення продуктивності деякого продукту відповідно до позитивної ентропії. Продуктивність продукту можна розглядати як хімічний струм. З цієї точки зору збільшення шуму, яке викликає збільшення хімічного струму, аналогічно «нормальному» випадку в електричних ланцюгах, в якому збільшення напруги викликає збільшення електричного струму.
Але коли система, що контактує з кількома резервуарами, виходить з рівноваги, вона може по-різному реагувати на шум. У нерівномовній системі в гру вступають додаткові фактори, так що збільшення шуму зменшує хімічний струм. Цей негативний диференційний відгук аналогічний випадку, коли електричні ланцюги проявляють негативний опір.
У своїй роботі дослідники виявили кілька біологічних процесів, які мають негативні диференційні реакції. Одним з прикладів є інгібування субстрату, яке являє собою процес, що використовується ферментами для регулювання їх здатності каталізувати хімічні реакції.
Коли одна молекула субстрату зв'язується з ферментом, отриманий комплекс фермент-субстрат розпадається в продукт, генеруючи хімічний струм. З іншого боку, коли концентрація субстрату висока, дві молекули субстрату можуть зв'язуватися з ферментом, і це подвійне зв'язування перешкоджає ферменту виробляти більше продукту. Оскільки збільшення концентрації молекули субстрату викликає зменшення хімічного струму, це негативна диференційна відповідь.
Як другий приклад, дослідники показали, що негативна диференційна відповідь також виникає в автокаталітичних реакціях - «самокаталізуючих» реакціях або реакціях, які виробляють продукти, які каталізують саму реакцію. Автокаталітичні реакції відбуваються по всьому організму, наприклад, при реплікації ДНК і виробництва АТФ під час гліколізу. Дослідники показали, що негативні диференційні реакції можуть виникати, коли дві автокаталітичні реакції відбуваються одночасно в присутності двох різних хімічних концентрацій (резервуарів) в нерівноважній системі.
Вчені також виявили негативні диференційні реакції при дисипативній самозбірці, процесі, в якому енергія необхідна для самозбірки системи, що робить її далекою від рівноваги. Дисипативна самозбірка відбувається, наприклад, у самозбірці актинових філаментів під дією АТФ - довгих тонких мікроструктур в цитоплазмі клітин, які надають клітинам їх структуру.
Природа робить все з певної причини, і наявність негативної диференційної відповіді у живих організмів не є винятком. Дослідники показали, що ця властивість дає переваги для біохімічних процесів в основному з точки зору енергоефективності.
Наприклад, при інгібуванні субстрату це дозволяє системі досягти гомеостазу з меншою кількістю енергії, ніж потрібно було б в іншому випадку. При розсіювальній самозбірці негативний диференційний відгук дозволяє системі реалізувати практично оптимальне ставлення сигнал/шум, що в кінцевому підсумку підвищує ефективність процесу самозбірки.