Depuis la fin du 19 ^e siècle, les physiciens connaissent une propriété contre-intuitive de certains circuits électriques appelée résistance négative. Typiquement, l'augmentation de la tension dans un circuit entraîne également une augmentation du courant électrique. Mais sous certaines conditions, l'augmentation de la tension peut entraîner une diminution du courant à la place. Cela signifie essentiellement que pousser plus fort sur les charges électriques les ralentit en fait.

En raison de la relation entre le courant, Tension, et résistance, dans ces situations, la résistance produit de l'énergie plutôt que de la consommer, résultant en une "résistance négative". Aujourd'hui, les dispositifs à résistance négative ont une grande variété d'applications, comme dans les lampes fluorescentes et les diodes Gunn, qui sont utilisés dans les pistolets radar et les ouvre-portes automatiques, entre autres appareils.

Les exemples les plus connus de résistance négative se produisent dans des dispositifs conçus par l'homme plutôt que dans la nature. Cependant, dans une nouvelle étude publiée dans le Nouveau Journal de Physique , Gianmaria Falasco et ses coauteurs de l'Université du Luxembourg ont montré qu'une propriété analogue appelée réponse différentielle négative est en fait un phénomène répandu que l'on retrouve dans de nombreuses réactions biochimiques qui se produisent dans les organismes vivants. Ils identifient la propriété dans plusieurs processus biochimiques vitaux, comme l'activité enzymatique, Réplication de l'ADN, et la production d'ATP. Il semble que la nature ait utilisé cette propriété pour optimiser ces processus et faire fonctionner les êtres vivants plus efficacement à l'échelle moléculaire.

"Ce contre-intuitif, pourtant, un phénomène courant a été trouvé dans une multitude de systèmes physiques après sa première découverte dans les semi-conducteurs à basse température, ", écrivent les chercheurs dans leur article. "Nous avons montré qu'une réponse différentielle négative est un phénomène répandu en chimie avec des conséquences majeures sur l'efficacité des processus biologiques et artificiels."

Comme l'ont expliqué les chercheurs, une réponse différentielle négative peut se produire dans les systèmes biochimiques qui sont en contact avec de multiples réservoirs biochimiques. Chaque réservoir essaie de tirer le système vers un point d'équilibre différent (comme un point d'équilibre), de sorte que le système est constamment exposé à des forces thermodynamiques concurrentes.

Lorsqu'un système est en équilibre avec son environnement, toute petite perturbation, ou du bruit, affectant les réservoirs entraînera généralement une augmentation du taux de production de certains produits, selon l'entropie positive. Le taux de production d'un produit peut être considéré comme un courant chimique. De cette perspective, l'augmentation du bruit qui provoque une augmentation du courant chimique est analogue au cas "normal" des circuits électriques dans lesquels une augmentation de la tension provoque une augmentation du courant électrique.

Mais lorsqu'un système en contact avec plusieurs réservoirs devient hors d'équilibre, il peut réagir différemment au bruit. Dans un système hors d'équilibre, des facteurs supplémentaires entrent en jeu, de sorte qu'une augmentation du bruit diminue le courant chimique. Cette réponse différentielle négative est analogue au cas où les circuits électriques présentent une résistance négative.

Dans leur travail, les chercheurs ont identifié plusieurs processus biologiques qui ont des réponses différentielles négatives. Un exemple est l'inhibition du substrat, qui est un processus utilisé par les enzymes pour réguler leur capacité à catalyser des réactions chimiques. Lorsqu'une seule molécule de substrat se lie à une enzyme, le complexe enzyme-substrat résultant se désintègre en un produit, générer un courant chimique. D'autre part, lorsque la concentration en substrat est élevée, deux molécules de substrat peuvent se lier à une enzyme, et cette double liaison empêche l'enzyme de produire plus de produit. Comme une augmentation de la concentration de la molécule de substrat provoque une diminution du courant chimique, il s'agit d'une réponse différentielle négative.

Comme deuxième exemple, les chercheurs ont montré qu'une réponse différentielle négative se produit également dans les réactions autocatalytiques - réactions "auto-catalytiques", ou des réactions qui produisent des produits qui catalysent la réaction elle-même. Des réactions autocatalytiques se produisent dans tout le corps, comme dans la réplication de l'ADN et la production d'ATP pendant la glycolyse. Les chercheurs ont montré que des réponses différentielles négatives peuvent survenir lorsque deux réactions autocatalytiques se produisent simultanément en présence de deux concentrations chimiques différentes (réservoirs) dans un système hors d'équilibre.

Les chercheurs ont également identifié des réponses différentielles négatives dans l'auto-assemblage dissipatif, un processus dans lequel de l'énergie est nécessaire pour qu'un système s'auto-assemble, loin de l'équilibre. L'auto-assemblage dissipatif se produit, par exemple, dans l'auto-assemblage entraîné par l'ATP des filaments d'actine - le long, microstructures fines dans le cytoplasme des cellules qui donnent leur structure aux cellules.

La nature fait tout pour une raison, et la présence d'une réponse différentielle négative dans les organismes vivants ne fait pas exception. Les chercheurs ont montré que cette propriété confère des avantages aux processus biochimiques principalement en termes d'efficacité énergétique. Dans l'inhibition du substrat, par exemple, il permet à un système d'atteindre l'homéostasie avec moins d'énergie que ce qui serait autrement nécessaire. En auto-assemblage dissipatif, la réponse différentielle négative permet au système de réaliser un rapport signal/bruit presque optimal, augmentant finalement l'efficacité du processus d'auto-assemblage.

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