Još od kraja 19. stoljeća, fizičari su znali za kontraintuitivno svojstvo nekih električnih krugova koje nazivamo negativnim otporom. Povećanje napona u krugu obično uzrokuje i porast električne struje. Ali, pod nekim uvjetima, povećanje napona može uzrokovati da se struja smanji. To u osnovi znači da ih jači pritisak na električne naboje zapravo usporava.
Zbog veze između struje, napona i otpora, u tim situacijama otpor proizvodi snagu, a ne troši je, rezultirajući “negativnim otporom”. Danas uređaji s negativnim otporom imaju široku paletu primjena, poput fluorescentnih svjetala i Gunn dioda, koji se između ostalih uređaja koriste u radarskim puškama i automatskim otvaračima vrata.
Većina poznatih primjera negativne otpornosti pojavljuje se u uređajima napravljenim od ljudi, a ne u prirodi. Međutim, u novom istraživanju objavljenom u Novom časopisu za fiziku, Gianmaria Falasco i koautori sa Univerziteta u Luksemburgu pokazali su da je analogno svojstvo nazvano negativni diferencijalni odgovor zapravo raširena pojava koja se nalazi u mnogim biohemijskim reakcijama koje se događaju u živim organizmima . Oni identificiraju svojstvo u nekoliko vitalnih biohemijskih procesa, kao što su aktivnost enzima, replikacija DNK i proizvodnja ATP. Čini se da je priroda koristila ovo svojstvo da optimizira te procese i omogući da žive stvari djeluju efikasnije na molekularnoj skali.
“Ovaj kontraintuitivni, ali čest fenomen pronađen je u bogatstvu fizičkih sustava nakon njegovog prvog otkrića u niskotemperaturnim poluvodičima”, napisali su istraživači u svom radu. “Pokazali smo da je negativan diferencijalni odgovor rasprostranjena pojava u hemiji s glavnim posljedicama na efikasnost bioloških i umjetnih procesa.”
Kako su istraživači objasnili, negativan diferencijalni odgovor može se pojaviti u biohemijskim sustavima koji su u kontaktu s više biokemijskih rezervoara. Svaki rezervoar pokušava povući sustav do drugačije ravnotežne točke (poput točke ravnoteže), tako da je sustav stalno izložen konkurentskim termodinamičkim silama.
Kad je sustav u ravnoteži s okolinom, svaka mala uznemirenost ili buka, koja utječe na rezervoare, obično će uzrokovati povećanje proizvodne stope nekog proizvoda, u skladu s pozitivnom entropijom. Stopa proizvodnje proizvoda može se smatrati kemijskom strujom. Iz ove perspektive, povećanje buke koja uzrokuje porast hemijske struje analogno je „normalnom“ slučaju u električnim krugovima u kojima porast napona uzrokuje porast električne struje.
Ali kada sustav u kontaktu s više rezervoara izlazi iz ravnoteže, može različito reagirati na buku. U van-ravnotežnom sistemu dolaze dodatni faktori, tako da porast buke smanjuje hemijsku struju. Ovaj negativni diferencijalni odgovor analogan je slučaju u kojem električni krugovi iskazuju negativan otpor.
U svom radu, istraživači su identificirali nekoliko bioloških procesa koji imaju negativne diferencijalne odgovore. Jedan primjer je inhibicija supstrata, što je proces koji enzimi koriste za regulaciju njihove sposobnosti katalizacije kemijskih reakcija. Kada se jedan molekul supstrata veže na enzim, rezultirajući kompleks enzima i supstrata propada u proizvod, generirajući hemijsku struju. S druge strane, kada je koncentracija supstrata visoka, dvije molekule supstrata mogu se vezati za enzim, a ovo dvostruko vezanje sprečava enzim da proizvede više proizvoda. Kako povećanje koncentracije molekula supstrata uzrokuje smanjenje kemijske struje, to je negativan diferencijalni odgovor.
Kao drugi primjer, istraživači su pokazali da se negativan diferencijalni odgovor pojavljuje i kod autokataliznih reakcija – „samokatalicirajućih“ reakcija, odnosno reakcija koje proizvode proizvode koji kataliziraju samu reakciju. Autokatalitičke reakcije javljaju se u cijelom tijelu, poput reprodukcije DNK i stvaranja ATP-a, tokom glikolize. Istraživači su pokazali da negativni diferencijalni odgovori mogu nastati kada se dvije autokatalitičke reakcije istodobno pojave u prisustvu dvije različite koncentracije kemikalija (rezervoara) u vanbilansnom sustavu.
Istraživači su također identificirali negativne diferencijalne reakcije u disipativnom samo-sklapanju, procesu u kojem je potrebna energija da se sustav samoinstalira, čineći ga daleko od ravnoteže. Disipativno samo-sklapanje se dešava, na primer, kod ATP-a, samo-sklapanja aktinskih filamenata – duge tanke mikrostrukture u citoplazmi ćelija koje ćelijama daju strukturu.
Priroda sve radi s razlogom, a prisustvo negativnog diferencijalnog odgovora u živim organizmima nije iznimka. Istraživači su pokazali da ovo svojstvo daje prednosti za biohemijske procese, uglavnom u pogledu energetske efikasnosti. Inhibicija supstrata, na primjer, omogućava sistemu da dođe do homeostaze s manje energije nego što bi inače bilo potrebno. Pri disipativnom samo-sklapanju, negativni diferencijalni odziv omogućava sistemu da ostvari gotovo optimalan odnos signal-šum, čime u konačnici povećava efikasnost procesa samo-sklapanja.
