在生物體中普遍存在，但違反直覺的物理性質，你知道幾個？

2020-10-18 博科園

自從19世紀末以來，物理學家們就知道了一些電路反直覺的性質，叫做負電阻。通常，增加電路中的電壓也會導致電流增加。但在某些情況下，增加電壓反而會導致電流減小。這基本上意味著對電荷施加更大的壓力實際上會減慢速度。由於電流、電壓和電阻之間的關係，在這些情況下，電阻產生電能而不是消耗電能，從而產生「負電阻」。今天，負阻器件有著廣泛的應用，例如螢光燈和耿氏二極體等，被用於雷達炮和自動開門器等設備中。

大多數已知的負阻例子發生在人類工程設備中，而不是自然界中。然而，在發表在《新物理學報》期刊上的一項新研究中，盧森堡大學的吉安瑪利亞·法拉斯科和合著者們研究表明：一種類似的性質叫做「負差異反應」，實際上是一種廣泛存在的現象，在許多發生在生物體中的生化反應中都能發現這種現象。科學家們在幾個重要的生物化學過程中，如酶活性、DNA複製和ATP的產生，鑑定了這種特性。似乎大自然利用這一特性來優化這些過程，使生物在分子尺度上更有效地運作。

在低溫半導體首次被發現後，這一違反直覺的普遍現象已經在許多物理系統中被發現。該研究證明，負差異反應在化學領域是一種普遍現象，對生物和人工過程的有效性產生了重大影響。在與多個生物化學儲集層接觸的生物化學系統中可能發生負差異反應。每個熱源都試圖把系統拉到一個不同的平衡點(就像一個平衡點)，因此系統不斷地暴露在相互競爭的熱力學力中。當一個系統與其周圍環境處於平衡狀態時，任何影響儲層的微小擾動或噪聲都會根據正熵增加某些反應，一種產物的生產速率可以看作是一種化學電流。

從這個角度看，引起化學電流增加的噪聲增加，類似於電路中電壓增加引起電流增加的「正常」情況。但是，當一個系統與多個儲層接觸而失去平衡時，它對噪聲的響應可能不同。在一個不平衡的系統中，附加的因素會起作用，所以噪音的增加會降低化學電流，這種負微分響應類似於電路顯示負電阻的情況。在研究中，科學家發現了幾個具有負差異反應的生物過程，底物抑制就是一個例子。底物抑制是酶調節催化化學反應能力的過程，當單一底物分子與酶結合時，所產生的酶-底物複合物衰變為產物，產生化學電流。

另一方面，當底物濃度高時，兩個底物分子可能結合到酶上，這種雙重結合阻止酶產生更多的產物。由於底物分子濃度的增加導致化學電流降低，這是一個負微分反應。作為第二個例子，研究表明，負微分反應也發生在自催化反應中——「自催化」反應，或產生產物催化反應本身的反應。自催化反應發生在整個身體，如在DNA複製和ATP生產糖酵解。研究發現，當兩個自催化反應同時發生在兩個不同化學濃度(儲層)的不平衡系統中時，可能會產生負微分反應。

研究還確定了耗散自組裝過程中的負微分反應，這是一個系統自組裝需要能量的過程，使其遠離平衡。耗散性自組裝發生在atp驅動的肌動蛋白絲自組裝中，肌動蛋白絲是細胞細胞質中賦予細胞結構的細長微結構。自然界何事情都是有原因的，生物體中存在的負差異反應也不例外。研究表明，這種性質賦予生化過程的優勢主要在能源效率方面。例如，在底物抑制中，能使系統以比其他方法所需更少的能量達到穩態。在耗散自組裝過程中，負微分響應使系統實現了接近最優的信噪比，最終提高了自組裝過程的效率。

博科園｜Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys

參考期刊《新物理學報》

DOI: 10.1088/1367-2630/ab28be

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