Dalla fine del 19 ^ns secolo, i fisici sono a conoscenza di una proprietà controintuitiva di alcuni circuiti elettrici chiamata resistenza negativa. Tipicamente, l'aumento della tensione in un circuito fa aumentare anche la corrente elettrica. Ma a certe condizioni, aumentare la tensione può invece far diminuire la corrente. Ciò significa fondamentalmente che spingere più forte sulle cariche elettriche le rallenta.

A causa del rapporto tra corrente, voltaggio, e resistenza, in queste situazioni la resistenza produce potenza anziché consumarla, con conseguente "resistenza negativa". Oggi, i dispositivi a resistenza negativa hanno un'ampia varietà di applicazioni, come nelle luci fluorescenti e nei diodi Gunn, che vengono utilizzati nelle pistole radar e negli apriporta automatici, tra gli altri dispositivi.

Gli esempi più noti di resistenza negativa si verificano in dispositivi progettati dall'uomo piuttosto che in natura. Però, in un nuovo studio pubblicato su Nuovo Giornale di Fisica , Gianmaria Falasco e coautori dell'Università del Lussemburgo hanno dimostrato che una proprietà analoga chiamata risposta differenziale negativa è in realtà un fenomeno diffuso che si trova in molte reazioni biochimiche che si verificano negli organismi viventi. Identificano la proprietà in diversi processi biochimici vitali, come l'attività enzimatica, Replicazione del DNA, e produzione di ATP. Sembra che la natura abbia usato questa proprietà per ottimizzare questi processi e far funzionare gli esseri viventi in modo più efficiente su scala molecolare.

"Questo controintuitivo, eppure un fenomeno comune è stato riscontrato in una vasta gamma di sistemi fisici dopo la sua prima scoperta nei semiconduttori a bassa temperatura, I ricercatori hanno scritto nel loro articolo. "Abbiamo dimostrato che una risposta differenziale negativa è un fenomeno diffuso in chimica con importanti conseguenze sull'efficacia dei processi biologici e artificiali".

Come hanno spiegato i ricercatori, una risposta differenziale negativa può verificarsi in sistemi biochimici che sono in contatto con più serbatoi biochimici. Ogni serbatoio cerca di trascinare il sistema in un punto di equilibrio diverso (come un punto di equilibrio), in modo che il sistema sia costantemente esposto a forze termodinamiche in competizione.

Quando un sistema è in equilibrio con l'ambiente circostante, ogni piccola perturbazione, o rumore, che interessano i giacimenti in genere provoca un aumento del tasso di produzione di alcuni prodotti, secondo entropia positiva. La velocità di produzione di un prodotto può essere pensata come una corrente chimica. Da questa prospettiva, l'aumento del rumore che provoca un aumento della corrente chimica è analogo al caso "normale" nei circuiti elettrici in cui un aumento della tensione provoca un aumento della corrente elettrica.

Ma quando un sistema in contatto con più serbatoi diventa fuori equilibrio, potrebbe rispondere in modo diverso al rumore. In un sistema fuori equilibrio, entrano in gioco ulteriori fattori, in modo che un aumento del rumore diminuisca la corrente chimica. Questa risposta differenziale negativa è analoga al caso in cui i circuiti elettrici mostrano una resistenza negativa.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno identificato diversi processi biologici che hanno risposte differenziali negative. Un esempio è l'inibizione del substrato, che è un processo utilizzato dagli enzimi per regolare la loro capacità di catalizzare reazioni chimiche. Quando una singola molecola di substrato si lega a un enzima, il risultante complesso enzima-substrato decade in un prodotto, generando una corrente chimica. D'altra parte, quando la concentrazione del substrato è elevata, due molecole di substrato possono legarsi a un enzima, e questo doppio legame impedisce all'enzima di produrre più prodotto. Poiché un aumento della concentrazione della molecola del substrato provoca una diminuzione della corrente chimica, questa è una risposta differenziale negativa.

Come secondo esempio, i ricercatori hanno dimostrato che una risposta differenziale negativa si verifica anche nelle reazioni autocatalitiche:reazioni "autocatalizzanti", o reazioni che producono prodotti che catalizzano la reazione stessa. Le reazioni autocatalitiche si verificano in tutto il corpo, come nella replicazione del DNA e nella produzione di ATP durante la glicolisi. I ricercatori hanno dimostrato che possono sorgere risposte differenziali negative quando due reazioni autocatalitiche si verificano contemporaneamente in presenza di due diverse concentrazioni chimiche (serbatoi) in un sistema fuori equilibrio.

I ricercatori hanno anche identificato risposte differenziali negative nell'autoassemblaggio dissipativo, un processo in cui l'energia è necessaria per un sistema per autoassemblarsi, rendendolo lontano dall'equilibrio. Si verifica l'autoassemblaggio dissipativo, Per esempio, nell'autoassemblaggio guidato dall'ATP dei filamenti di actina, il lungo, microstrutture sottili nel citoplasma delle cellule che danno alle cellule la loro struttura.

La natura fa tutto per una ragione, e la presenza di una risposta differenziale negativa negli organismi viventi non fa eccezione. I ricercatori hanno dimostrato che questa proprietà conferisce vantaggi ai processi biochimici principalmente in termini di efficienza energetica. Nell'inibizione del substrato, Per esempio, consente a un sistema di raggiungere l'omeostasi con meno energia di quella che sarebbe altrimenti necessaria. Nell'autoassemblaggio dissipativo, la risposta differenziale negativa consente al sistema di realizzare un rapporto segnale-rumore quasi ottimale, aumentando infine l'efficienza del processo di autoassemblaggio.

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