Desde o final de 19 ^º século, os físicos sabem sobre uma propriedade contra-intuitiva de alguns circuitos elétricos chamada resistência negativa. Tipicamente, aumentar a tensão em um circuito faz com que a corrente elétrica também aumente. Mas sob algumas condições, aumentar a tensão pode fazer com que a corrente diminua. Basicamente, isso significa que pressionar com mais força as cargas elétricas na verdade as retarda.

Devido à relação entre o atual, Voltagem, e resistência, nessas situações, a resistência produz energia ao invés de consumi-la, resultando em uma "resistência negativa". Hoje, dispositivos de resistência negativa têm uma ampla variedade de aplicações, como em lâmpadas fluorescentes e diodos Gunn, que são usados ​​em armas de radar e abridores automáticos de portas, entre outros dispositivos.

A maioria dos exemplos conhecidos de resistência negativa ocorre em dispositivos de engenharia humana, e não na natureza. Contudo, em um novo estudo publicado no New Journal of Physics , Gianmaria Falasco e co-autores da Universidade de Luxemburgo mostraram que uma propriedade análoga chamada resposta diferencial negativa é, na verdade, um fenômeno generalizado encontrado em muitas reações bioquímicas que ocorrem em organismos vivos. Eles identificam a propriedade em vários processos bioquímicos vitais, como atividade enzimática, Replicação de DNA, e produção de ATP. Parece que a natureza usou essa propriedade para otimizar esses processos e fazer os seres vivos operarem com mais eficiência na escala molecular.

"Este contra-intuitivo, no entanto, um fenômeno comum foi encontrado em uma grande variedade de sistemas físicos após sua primeira descoberta em semicondutores de baixa temperatura, "Os pesquisadores escreveram em seu artigo." Nós mostramos que uma resposta diferencial negativa é um fenômeno generalizado na química com consequências importantes na eficácia dos processos biológicos e artificiais. "

Como os pesquisadores explicaram, uma resposta diferencial negativa pode ocorrer em sistemas bioquímicos que estão em contato com vários reservatórios bioquímicos. Cada reservatório tenta puxar o sistema para um ponto de equilíbrio diferente (como um ponto de equilíbrio), de modo que o sistema é constantemente exposto a forças termodinâmicas concorrentes.

Quando um sistema está em equilíbrio com seu entorno, qualquer pequena perturbação, ou barulho, afetar os reservatórios normalmente causará um aumento na taxa de produção de algum produto, de acordo com a entropia positiva. A taxa de produção de um produto pode ser considerada uma corrente química. Desta perspectiva, o aumento no ruído que causa um aumento na corrente química é análogo ao caso "normal" em circuitos elétricos em que um aumento na voltagem causa um aumento na corrente elétrica.

Mas quando um sistema em contato com vários reservatórios fica fora de equilíbrio, ele pode responder de forma diferente ao ruído. Em um sistema fora de equilíbrio, fatores adicionais entram em jogo, de modo que um aumento no ruído diminui a corrente química. Esta resposta diferencial negativa é análoga ao caso em que circuitos elétricos exibem resistência negativa.

Em seu trabalho, os pesquisadores identificaram vários processos biológicos que apresentam respostas diferenciais negativas. Um exemplo é a inibição de substrato, que é um processo usado por enzimas para regular sua capacidade de catalisar reações químicas. Quando uma única molécula de substrato se liga a uma enzima, o complexo enzima-substrato resultante decai em um produto, gerando uma corrente química. Por outro lado, quando a concentração de substrato é alta, duas moléculas de substrato podem se ligar a uma enzima, e essa ligação dupla impede que a enzima produza mais produto. Como um aumento na concentração da molécula de substrato causa uma diminuição na corrente química, esta é uma resposta diferencial negativa.

Como um segundo exemplo, os pesquisadores mostraram que uma resposta diferencial negativa também ocorre em reações autocatalíticas - reações de "autocatalisação", ou reações que produzem produtos que catalisam a própria reação. As reações autocatalíticas ocorrem em todo o corpo, como na replicação de DNA e produção de ATP durante a glicólise. Os pesquisadores mostraram que respostas diferenciais negativas podem surgir quando duas reações autocatalíticas ocorrem simultaneamente na presença de duas concentrações químicas diferentes (reservatórios) em um sistema fora de equilíbrio.

Os pesquisadores também identificaram respostas diferenciais negativas na automontagem dissipativa, um processo em que a energia é necessária para um sistema se automontar, tornando-o longe do equilíbrio. Ocorre automontagem dissipativa, por exemplo, na automontagem conduzida por ATP de filamentos de actina - o longo, microestruturas finas no citoplasma das células que dão às células sua estrutura.

A natureza faz tudo por uma razão, e a presença de resposta diferencial negativa em organismos vivos não é exceção. Os pesquisadores mostraram que essa propriedade confere vantagens aos processos bioquímicos principalmente em termos de eficiência energética. Na inibição do substrato, por exemplo, permite que um sistema alcance a homeostase com menos energia do que seria necessário de outra forma. Na automontagem dissipativa, a resposta diferencial negativa permite que o sistema realize uma relação sinal-ruído quase ideal, em última análise, aumentando a eficiência do processo de automontagem.

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