散文網(wǎng) » 科技 »自然 » 在生物體中普遍存在，但違反直覺的物理性質(zhì)，你知道幾個？

在生物體中普遍存在，但違反直覺的物理性質(zhì)，你知道幾個？

2019-10-01 12:09 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

自從19世紀(jì)末以來，物理學(xué)家們就知道了一些電路反直覺的性質(zhì)，叫做負電阻。通常，增加電路中的電壓也會導(dǎo)致電流增加。但在某些情況下，增加電壓反而會導(dǎo)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。

由于電流、電壓和電阻之間的關(guān)系，在這些情況下，電阻產(chǎn)生電能而不是消耗電能，從而產(chǎn)生“負電阻”。今天，負阻器件有著廣泛的應(yīng)用，例如熒光燈和耿氏二極管等，被用于雷達炮和自動開門器等設(shè)備中。

大多數(shù)已知的負阻例子發(fā)生在人類工程設(shè)備中，而不是自然界中。然而，在發(fā)表在《新物理學(xué)報》期刊上的一項新研究中，盧森堡大學(xué)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(zhì)叫做“負差異反應(yīng)”，實際上是一種廣泛存在的現(xiàn)象，在許多發(fā)生在生物體中的生化反應(yīng)中都能發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象?？茖W(xué)家們在幾個重要的生物化學(xué)過程中，如酶活性、DNA復(fù)制和ATP的產(chǎn)生，鑒定了這種特性。似乎大自然利用這一特性來優(yōu)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(dǎo)體首次被發(fā)現(xiàn)后，這一違反直覺的普遍現(xiàn)象已經(jīng)在許多物理系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)。該研究證明，負差異反應(yīng)在化學(xué)領(lǐng)域是一種普遍現(xiàn)象，對生物和人工過程的有效性產(chǎn)生了重大影響。在與多個生物化學(xué)儲集層接觸的生物化學(xué)系統(tǒng)中可能發(fā)生負差異反應(yīng)。每個熱源都試圖把系統(tǒng)拉到一個不同的平衡點(就像一個平衡點)，因此系統(tǒng)不斷地暴露在相互競爭的熱力學(xué)力中。當(dāng)一個系統(tǒng)與其周圍環(huán)境處于平衡狀態(tài)時，任何影響儲層的微小擾動或噪聲都會根據(jù)正熵增加某些反應(yīng)，一種產(chǎn)物的生產(chǎn)速率可以看作是一種化學(xué)電流。

從這個角度看，引起化學(xué)電流增加的噪聲增加，類似于電路中電壓增加引起電流增加的“正?！鼻闆r。但是，當(dāng)一個系統(tǒng)與多個儲層接觸而失去平衡時，它對噪聲的響應(yīng)可能不同。在一個不平衡的系統(tǒng)中，附加的因素會起作用，所以噪音的增加會降低化學(xué)電流，這種負微分響應(yīng)類似于電路顯示負電阻的情況。在研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾個具有負差異反應(yīng)的生物過程，底物抑制就是一個例子。底物抑制是酶調(diào)節(jié)催化化學(xué)反應(yīng)能力的過程，當(dāng)單一底物分子與酶結(jié)合時，所產(chǎn)生的酶-底物復(fù)合物衰變?yōu)楫a(chǎn)物，產(chǎn)生化學(xué)電流。

另一方面，當(dāng)?shù)孜餄舛雀邥r，兩個底物分子可能結(jié)合到酶上，這種雙重結(jié)合阻止酶產(chǎn)生更多的產(chǎn)物。由于底物分子濃度的增加導(dǎo)致化學(xué)電流降低，這是一個負微分反應(yīng)。作為第二個例子，研究表明，負微分反應(yīng)也發(fā)生在自催化反應(yīng)中——“自催化”反應(yīng)，或產(chǎn)生產(chǎn)物催化反應(yīng)本身的反應(yīng)。自催化反應(yīng)發(fā)生在整個身體，如在DNA復(fù)制和ATP生產(chǎn)糖酵解。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個自催化反應(yīng)同時發(fā)生在兩個不同化學(xué)濃度(儲層)的不平衡系統(tǒng)中時，可能會產(chǎn)生負微分反應(yīng)。

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