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    Se ha descubierto que la propiedad de la física contraria a la intuición está muy extendida en los organismos vivos

    Se produce una respuesta diferencial negativa en la inhibición del sustrato, un proceso que ocurre en aproximadamente el 20% de todas las enzimas conocidas. Crédito:Khopkins2010, Wikimedia Commons

    Desde finales de los 19 th siglo, Los físicos conocen una propiedad contraria a la intuición de algunos circuitos eléctricos llamada resistencia negativa. Típicamente, aumentar el voltaje en un circuito hace que la corriente eléctrica también aumente. Pero bajo algunas condiciones, En su lugar, aumentar el voltaje puede hacer que la corriente disminuya. Básicamente, esto significa que presionar más las cargas eléctricas en realidad las ralentiza.

    Debido a la relación entre corriente, Voltaje, y resistencia, en estas situaciones la resistencia produce energía en lugar de consumirla, resultando en una "resistencia negativa". Hoy dia, Los dispositivos de resistencia negativa tienen una amplia variedad de aplicaciones, como en luces fluorescentes y diodos Gunn, que se utilizan en pistolas de radar y abrepuertas automáticos, entre otros dispositivos.

    La mayoría de los ejemplos conocidos de resistencia negativa ocurren en dispositivos diseñados por humanos más que en la naturaleza. Sin embargo, en un nuevo estudio publicado en el Nueva Revista de Física , Gianmaria Falasco y coautores de la Universidad de Luxemburgo han demostrado que una propiedad análoga llamada respuesta diferencial negativa es en realidad un fenómeno generalizado que se encuentra en muchas reacciones bioquímicas que ocurren en organismos vivos. Identifican la propiedad en varios procesos bioquímicos vitales, como la actividad enzimática, Replicación de ADN, y producción de ATP. Parece que la naturaleza ha utilizado esta propiedad para optimizar estos procesos y hacer que los seres vivos funcionen de manera más eficiente a escala molecular.

    "Este contradictorio, Sin embargo, se ha encontrado un fenómeno común en una gran cantidad de sistemas físicos después de su primer descubrimiento en semiconductores de baja temperatura. ", escribieron los investigadores en su artículo." Hemos demostrado que una respuesta diferencial negativa es un fenómeno generalizado en la química con importantes consecuencias sobre la eficacia de los procesos biológicos y artificiales ".

    Como explicaron los investigadores, una respuesta diferencial negativa puede ocurrir en sistemas bioquímicos que están en contacto con múltiples depósitos bioquímicos. Cada depósito intenta llevar el sistema a un punto de equilibrio diferente (como un punto de equilibrio), de modo que el sistema está constantemente expuesto a fuerzas termodinámicas en competencia.

    Cuando un sistema está en equilibrio con su entorno, cualquier pequeña perturbación, o ruido, afectar los reservorios típicamente causará un aumento en la tasa de producción de algún producto, de acuerdo con la entropía positiva. La tasa de producción de un producto se puede considerar como una corriente química. Desde esta perspectiva, el aumento de ruido que provoca un aumento de la corriente química es análogo al caso "normal" en los circuitos eléctricos en los que un aumento de voltaje provoca un aumento de la corriente eléctrica.

    Pero cuando un sistema en contacto con múltiples depósitos se desequilibra, puede responder de manera diferente al ruido. En un sistema fuera de equilibrio, entran en juego factores adicionales, de modo que un aumento de ruido disminuye la corriente química. Esta respuesta diferencial negativa es análoga al caso en el que los circuitos eléctricos presentan una resistencia negativa.

    En su trabajo, los investigadores identificaron varios procesos biológicos que tienen respuestas diferenciales negativas. Un ejemplo es la inhibición del sustrato, que es un proceso utilizado por las enzimas para regular su capacidad de catalizar reacciones químicas. Cuando una sola molécula de sustrato se une a una enzima, el complejo enzima-sustrato resultante se descompone en un producto, generando una corriente química. Por otra parte, cuando la concentración de sustrato es alta, dos moléculas de sustrato pueden unirse a una enzima, y esta doble unión evita que la enzima produzca más producto. Como un aumento en la concentración de moléculas de sustrato provoca una disminución en la corriente química, esta es una respuesta diferencial negativa.

    Como segundo ejemplo, Los investigadores demostraron que también se produce una respuesta diferencial negativa en las reacciones autocatalíticas:reacciones "autocatalizadoras", o reacciones que producen productos que catalizan la propia reacción. Las reacciones autocatalíticas ocurren en todo el cuerpo, como en la replicación del ADN y la producción de ATP durante la glucólisis. Los investigadores demostraron que pueden surgir respuestas diferenciales negativas cuando dos reacciones autocatalíticas ocurren simultáneamente en presencia de dos concentraciones químicas diferentes (depósitos) en un sistema fuera de equilibrio.

    Los investigadores también identificaron respuestas diferenciales negativas en el autoensamblaje disipativo, un proceso en el que se necesita energía para que un sistema se autoensamble, haciéndolo lejos del equilibrio. Se produce un autoensamblaje disipativo, por ejemplo, en el autoensamblaje de filamentos de actina impulsado por ATP:el largo, microestructuras delgadas en el citoplasma de las células que dan a las células su estructura.

    La naturaleza hace todo por una razón y la presencia de respuesta diferencial negativa en organismos vivos no es una excepción. Los investigadores demostraron que esta propiedad ofrece ventajas para los procesos bioquímicos principalmente en términos de eficiencia energética. En la inhibición del sustrato, por ejemplo, permite que un sistema alcance la homeostasis con menos energía de la que se requeriría de otro modo. En autoensamblaje disipativo, la respuesta diferencial negativa permite que el sistema obtenga una relación señal-ruido casi óptima, aumentando en última instancia la eficiencia del proceso de autoensamblaje.

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