自从19世纪末以来，物理学家们就知道了一些电路反直觉的性质，叫做负电阻。通常，增加电路中的电压也会导致电流增加。但在某些情况下，增加电压反而会导致电流减小。这基本上意味着对电荷施加更大的压力实际上会减慢速度。由于电流、电压和电阻之间的关系，在这些情况下，电阻产生电能而不是消耗电能，从而产生“负电阻”。今天，负阻器件有着广泛的应用，例如荧光灯和耿氏二极管等，被用于雷达炮和自动开门器等设备中。
大多数已知的负阻例子发生在人类工程设备中，而不是自然界中。然而，在发表在《新物理学报》期刊上的一项新研究中，卢森堡大学的吉安玛利亚·法拉斯科和合著者们研究表明：一种类似的性质叫做“负差异反应”，实际上是一种广泛存在的现象，在许多发生在生物体中的生化反应中都能发现这种现象。科学家们在几个重要的生物化学过程中，如酶活性、DNA复制和ATP的产生，鉴定了这种特性。似乎大自然利用这一特性来优化这些过程，使生物在分子尺度上更有效地运作。
在低温半导体首次被发现后，这一违反直觉的普遍现象已经在许多物理系统中被发现。该研究证明，负差异反应在化学领域是一种普遍现象，对生物和人工过程的有效性产生了重大影响。在与多个生物化学储集层接触的生物化学系统中可能发生负差异反应。每个热源都试图把系统拉到一个不同的平衡点(就像一个平衡点)，因此系统不断地暴露在相互竞争的热力学力中。当一个系统与其周围环境处于平衡状态时，任何影响储层的微小扰动或噪声都会根据正熵增加某些反应，一种产物的生产速率可以看作是一种化学电流。
从这个角度看，引起化学电流增加的噪声增加，类似于电路中电压增加引起电流增加的“正常”情况。但是，当一个系统与多个储层接触而失去平衡时，它对噪声的响应可能不同。在一个不平衡的系统中，附加的因素会起作用，所以噪音的增加会降低化学电流，这种负微分响应类似于电路显示负电阻的情况。在研究中，科学家发现了几个具有负差异反应的生物过程，底物抑制就是一个例子。底物抑制是酶调节催化化学反应能力的过程，当单一底物分子与酶结合时，所产生的酶-底物复合物衰变为产物，产生化学电流。
另一方面，当底物浓度高时，两个底物分子可能结合到酶上，这种双重结合阻止酶产生更多的产物。由于底物分子浓度的增加导致化学电流降低，这是一个负微分反应。作为第二个例子，研究表明，负微分反应也发生在自催化反应中——“自催化”反应，或产生产物催化反应本身的反应。自催化反应发生在整个身体，如在DNA复制和ATP生产糖酵解。研究发现，当两个自催化反应同时发生在两个不同化学浓度(储层)的不平衡系统中时，可能会产生负微分反应。
研究还确定了耗散自组装过程中的负微分反应，这是一个系统自组装需要能量的过程，使其远离平衡。耗散性自组装发生在atp驱动的肌动蛋白丝自组装中，肌动蛋白丝是细胞细胞质中赋予细胞结构的细长微结构。自然界何事情都是有原因的，生物体中存在的负差异反应也不例外。研究表明，这种性质赋予生化过程的优势主要在能源效率方面。例如，在底物抑制中，能使系统以比其他方法所需更少的能量达到稳态。在耗散自组装过程中，负微分响应使系统实现了接近最优的信噪比，最终提高了自组装过程的效率。
博科园｜CopyrightScience X Network/Lisa Zyga,Phys
参考期刊《新物理学报》
DOI: 10.1088/1367-2630/ab28be
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