بقلم ليسا زايغا
١٣ أغسطس ٢٠١٩
المترجم : أبو طه/ عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم ٢٥٢ لسنة ٢"١٩
التصنيف: أبحاث فيزيائية
August 13, 2019
by Lisa Zyga,
منذ أواخر القرن التاسع عشر ، عرف الفيزيائيون عن خاصية خلاف الحدس (للبديهة) لبعض الدوائر الكهربائية تسمى المقاومة السلبية. عادة ، تؤدي زيادة الجهد في دائرة كهربية إلى زيادة التيار الكهربائي أيضًا. لكن في بعض الحالات ، يمكن أن تؤدي زيادة الجهد إلى انخفاض التيار بدلاً من ذلك. هذا يعني في الأساس أن وضع مزيداُ من الطاقة على الشحنات الكهربائية يبطئها بالفعل.
 |
| استجابة تفاضلية سلبية تحدث في تثبيط الركيزة ، وهي عملية تحدث في حوالي ٢٠ ٪ من جميع الإنزيمات المعروفة. |
نظرًا للعلاقة بين التيار والجهد والمقاومة ، في هذه الحالات المقاومة تنتج طاقة بدلاً من أن تستهلكها ، مما ينتج عن ذلك "مقاومة سلبية". اليوم ، لأجهزة المقاومة السلبية مجموعة واسعة من التطبيقات ، كما هو الحال في مصابيح الفلورسنت وديودات غان Gunn diods ، والتي تستخدم في قاذفات الرادار radar guns وفتّاحات الأبواب الأوتوماتيكية ، من بين أجهزة أخرى.
معظم الأمثلة المعروفة للمقاومة السلبية توحد في الأجهزة التي يصممها الإنسان لا في الطبيعة. ومع ذلك ، في دراسة جديدة نُشرت في مجلة نيو جورنال اوف فيزيكس New Journal of Physics ، أظهر جيانماريا فالسكو Gianmaria Falasco و زملاؤه من جامعة لوكسمبورغ أن هناك خاصية مماثلة تسمى الاستجابة التفاضلية السلبية negative differential response هي في الواقع ظاهرة منتشرة على نطاق واسع في العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تحدث في الكائنات الحية الدقيقة . وهي تحدد الخاصية في العديد من العمليات الكيميائية الحيوية (البيوكيمياء) ، كنشاط الإنزيمات وتنسّخ الحمض النووي DNA replication وإنتاج الأدينوزين ثلاثيُّ الفوسفات (ATP). يبدو أن الطبيعة قد استخدمت هذه الخاصية لتحسين هذه العمليات وجعل الكائنات الحية الدقيقة تعمل بكفاءة أكبر على المستوى الجزيئي.
وكتب الباحثون في الورقة المنشورة "هذه الظاهرة خلاف الحدس (البديهة)لكنها شائعة في الكثير من النظم الفيزيائية بعد اكتشافها لأول مرة في أشباه الموصلات منخفضة الحرارة". "لقد أظهرنا أن الاستجابة التفاضلية السلبية ظاهرة واسعة الانتشار في الكيمياء ولها تبعات رئيسية على فعالية العمليات البيولوجية والاصطناعية."
كما أوضح الباحثون ، يمكن أن تحدث الإستجابة التفاضلية السلبية في النظم الكيميائية الحيوية التي هي على تماس بخزانات كيميائية حيوية متعددة. يحاول كل خزان سحب النظام إلى نقطة توازن مختلفة (نقطة توازن، مثلاً) ، بحيث يتعرض النظام باستمرار لقوى الديناميكا الحرارية المتنافسة.
عندما يكون النظام في حالة توازن مع محيطه ، فإن أي اضطراب صغير ، أو تشويش noise، يؤثر على الخزانات (تركيزات كيميائية مختلفة) يؤدي عادة إلى زيادة في معدل إنتاج بعض المنتجات ، وفقًا للإنتروبيا الإيجابية. يمكن اعتبار معدل إنتاج المنتج كتيار كيميائي. من هذا المنظور ، فإن الزيادة في التشويش noise التي تسبب زيادة في التيار الكيميائي هي مماثلة للحالة "العادية" في الدوائر الكهربائية والتي فيها زيادة الجهد تسبب زيادة في التيار الكهربائي.
ولكن عندما يصبح النظام الذي على تماس مع خزانات (تركيزات كيميائية مختلفة) متعددة غير متوازن ، فقد يستجيب بشكل مختلف للتشويش. في نظام غير متوازن ، تدخل عوامل إضافية في الاعتبار ، بحيث تؤدي الزيادة في التشويش إلى تقليل التيار الكيميائي. هذه الاستجابة التفاضلية السلبية مماثلة للحالة التي تُظهِر فيها الدوائر الكهربائية مقاومةً سلبيةً.
في بحثهم ، حدد الباحثون العديد من العمليات البيولوجية التي لها استجابات تفاضلية سلبية. ومن الأمثلة على ذلك تثبيط الركيزة substrate inhibition(١) ، وهي عملية تستخدمها الأنزيمات لتنظيم قدرتها على تحفيز التفاعلات الكيميائية. عندما يرتبط جزيء ركيزة مفرد بالإنزيم ، يتحلل مركب complex الركيزة-الإنزيم الناتج يتحلل إلى منتج ، مما يولد تيارًا كيميائيًا. من ناحية أخرى ، عندما يكون تركيز الركيزة عالياً ، قد يرتبط جزيئا (عدد٢ جزيء) ركيزة بالأنزيم ، وهذا الرابط المزدوج يمنع الإنزيم من إنتاج المزيد من المنتجات. نظرًا لأن الزيادة في تركيز جزيء الركيزة تسبب انخفاضًا في التيار الكيميائي ، فهذا استجابة تفاضلية سلبية.
وكمثال ثانٍ ، أظهر الباحثون أن الاستجابة التفاضلية السلبية تحدث أيضًا في تفاعلات التحفيز الذاتي - تفاعلات "التحفيز الذاتي" ، أو تفاعلات تنتج منتجات تحفز التفاعل نفسه. تحدث تفاعلات التحفيز الذاتي في جميع أنحاء الجسم ، كما هو الحال في تنسخ الحمض النووي وإنتاج ال ATP أثناء التحلل السكري glycolysis . أظهر الباحثون أن الاستجابات التفاضلية السلبية يمكن أن تنشأ عندما يحدث تفاعلان تحفيزيان في وقت واحد في وجود اثنين من التركيزات الكيميائية المختلفة (الخزانات) في نظام غير متوازن.
وتعرف الباحثون أيضًا على الاستجابات التفاضلية السلبية في التجميع الذاتي المبدد dissipative self-assembly (٣)، وهي عملية تتطلب طاقة للنظام ليقوم بالتجميع الذاتي ، مما يجعله بعيداً عن التوازن. يحدث التجميع الذاتي المبدد ، على سبيل المثال ، في التجميع الذاتي المدفوع من قبل ال ATP لفتائل الأكتين actin filaments— وهي بنى مجهرية طويلة ورفيعة ( نحيفة) في سيتوبلازم الخلايا التي تعطي الخلايا بنيتها.
الطبيعة تفعل كل شيء لسبب ما ، ووجود استجابة تفاضلية سلبية في الكائنات الحية الدقيقة ليس استثناءًا. أظهر الباحثون أن هذه الخاصية تضفي مزايا لعمليات كيمياوية حيوية بشكل رئيسي من حيث كفاءة استخدام الطاقة. في تثبيط الركيزة ، على سبيل المثال ، تسمح هذه الخاصية للنظام للوصول إلى التوازن بطاقة أقل مما قد يكون مطلوباً . في التجميع الذاتي المبددة (٣) ، تسمح الاستجابة التفاضلية السلبية للنظام بتحقيق نسبة الإشارة إلى التشويش (signal to noise ) مثالية تقريبًا ، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة كفاءة عملية التجميع الذاتي.
مصادر من خارج النص
١-https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مثبط_إنزيم
٢-https://en.m.wikipedia.org/wiki/Dissipative_system
المصدر الرئيسي
https://phys.org/news/2019-08-counterintuitive-physics-property-widespread.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=weekly-nwletter
للمواضيع المترجمة السابقة يرجى زيارة المدونة على صفحتنا على الإنترنت على هذا العنوان؛
https://sites.google.com/view/adnan-alhajji
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق