Специалисты из Люксембурга доказали, что свойство отрицательного дифференциального сопротивления распространено не только в созданных человеком устройствах, но встречается и в живых организмах. Оно проявляется в нескольких ключевых биохимических процессах.

Начиная с XIX века физики знали о парадоксальном свойстве отрицательного сопротивления некоторых электрических цепей. Обычно, повышая напряжение в цепи, можно добиться повышения тока. Но при определенных условиях повышение напряжения приводит к обратным результатам. В таком случае сопротивление, по сути, вырабатывает энергию, вместо того чтобы потреблять ее. Устройства с отрицательным сопротивлением — флуоресцентные лампы или диоды Ганна — имеют сегодня широкое хождение. Однако это искусственно созданные человеком устройства.

Ученым из Университета Люксембурга удалось идентифицировать свойство отрицательного сопротивления в таких процессах, как активность ферментов, репликация ДНК и производство аденозинтрифосфорной кислоты. Они пришли к выводу, что природа использовала его для оптимизации этих процессов и повышения эффективности живых существ на молекулярном уровне, пишет Phys.org.

«Этот парадоксальный, но распространенный феномен был обнаружен во множестве физических систем после того, как был впервые обнаружен в низкотемпературных полупроводниках, — написали исследователи. — Мы показали, что отрицательный дифференциальный отклик — распространенный феномен в химии, серьезно повышающий эффективность биологических и искусственных процессов».

Как объяснили ученые, отрицательное сопротивление возникает в биохимических системах, вступающих в контакт с многочисленными биохимическими резервуарами. Каждый резервуар пытается привести систему к собственной точке равновесия, так чтобы она постоянно могла быть подвержена воздействию взаимодействующих термодинамических сил.

Когда система находится в равновесии со средой, мельчайшие изменения или помехи, воздействующие на резервуар, обычно вызывают рост производительности какого-то продукта, в соответствии с законом положительной энтропии. Темпы производства можно считать химическим током. С такой точки зрения рост помех аналогичен «обычному» состоянию в электрических цепях, когда увеличение напряжения вызывает увеличение тока. Но когда система выходит из равновесия, она реагирует на помехи иначе. Тогда вступают в действие дополнительные факторы, так что рост шума снижает химический ток. То же самое происходит в цепи с отрицательным сопротивлением.

Ученые показали, что такое свойство существует в природе неспроста. Оно повышает энергетическую эффективность биохимических процессов. Например, в случае ингибирования субстрата оно позволяет системе достигнуть гомеостаза с меньшими затратами энергии.