Chemia organiczna/Wybrane praktyczne aspekty chemii organicznej/Feromony

Ten moduł jest skorelowany z biologią.

Feromony i ich podział

Występowanie feromonów stwierdzono głównie u owadów, ale także u niektórych gatunków roślin, grzybów czy drożdży.

Ze względu na funkcję, jaką pełnią feromony, można je podzielić na:

• płciowe,
• alarmowe,
• obronne,
• wyrażające stres,
• odstraszające,
• wyznaczające terytorium,
• ścieżkowe (zaznaczające drogę),
• agregacyjne (powodujące gromadzenie się osobników danego gatunku),
• pomagające odnaleźć pożywienie,
• dyskryminujące (wyrażające dominację, regulujące stosunki społeczne w populacji),
• rozpraszające (utrzymujące osobników w odległości od siebie).

Feromony płciowe to grupa feromonów odpowiedzialnych za doprowadzenie do kopulacji przez kojarzenie partnerów i synchronizację czynności do niej prowadzących. Do feromonów płciowych należą związki z różnych grup: węglowodory alifatyczne i aromatyczne, kwasy karboksylowe i ich estry, alkohole i fenole, aldehydy, ketoksykwasy. Feromony płciowe są najlepiej poznaną grupą feromonów. Jednak badanie ich nastręcza pewnych trudności. Aktywność seksualna mrówek ogranicza się do kilku dni w roku, ponadto zwierzęta te kopulują podczas lotu. Dlatego też obserwacja i identyfikacja ich feromonów płciowych jest dosyć trudna. Funkcję wabika może też pełnić feromon agregacyjny (np. u niektórych mrówek, których samce zwabione tym feromonem gromadzą się w jednym roju) lub ścieżkowy (np. mrówki z gatunku Megaponera foetus, których samce podążają zaznaczoną feromonem ścieżkowym drogą do gniazda). Feromony płciowe występują również u mikroorganizmów, zwierząt wodnych, węży i ssaków.

Feromony alarmowe są wydzielane w wypadku zagrożenia kolonii lub gniazda. U odbiorcy mogą wywoływać chęć ucieczki, szukanie schronienia, bezruch lub agresję. Do tej grupy feromonów należą: węglowodory, alkohole alifatyczne i cykliczne, aldehydy, ketony, kwasy organiczne i ich estry, związki heterocykliczne, sulfidy i terpenoidy.

Feromony obronne oraz jady są wytwarzane w celu ochrony przed napastnikiem lub jako pomoc w zdobyciu pożywienia. U odbiorcy mogą wywoływać nieprzyjemne odczucie, ból, porażenie, a niektóre nawet śmierć. Feromony, które nie są przeznaczone dla odbiorcy z tego samego gatunku nie są zaliczane do klasycznych feromonów. Najbardziej znanym jadem obronnym jest jad mrówek, którego skład jest zmienny. U mrówek z rodziny mrówkowatych jad ten, oprócz kwasu mrówkowego, zawiera krótkie peptydy i aminokwasy o stężeniu do 5%. Jad innych mrówek zawiera dużo białek; wiele z nich pełni rolę enzymów, jak np. fosfolipazy i hialuronidaza.

Feromony wyznaczające terytorium mają za zadanie wyznaczać granice miejsca zamieszkiwania lub polowania. Są szeroko wykorzystywane przez owady, w których feromonach odkryto węglowodory alifatyczne i terpenoidy. Stosują je również ssaki drapieżne, które substancjami zawartymi w moczu znaczą granice swych terenów łowczych.

Feromony ścieżkowe są wykorzystywane do wskazywania drogi, po której mają poruszać się osobniki danego gatunku. Ta grupa feromonów służy mrówkom, termitom i gąsienicom. Feromony ścieżkowe są głównie złożonymi mieszaninami różnych związków, których skład zależy od gatunku, rodzaju pożywienia, a także od przynależności do danej grupy. Najczęściej wskazują drogę do źródła pożywienia lub do miejsca kolonii, a nawet, jak u niektórych gatunków pszczół bezżądłowych, wyznaczają korytarze powietrzne. Feromony ścieżkowe robotnic mrówek są wydzieliną z odwłoka, rozsmarowywaną przez osobnika mającego za zadanie zaznaczyć drogę w trakcie powrotu do gniazda po znalezieniu pożywienia. Pierwsze robotnice mają inne sposoby orientacji w terenie. Są również znane zwierzęta, które reagują na feromony innych zwierząt.

Feromony agregacyjne to feromony, które powodują gromadzenie się osobników wrażliwych na jego działanie w jednym miejscu. Ma to miejsce w celu zwabienia partnerów seksualnych, poinformowaniu o znalezieniu źródła pożywienia lub miejsca na założenie kolonii. Feromony agregacyjne odznaczają się znaczną trwałością. Przykładem jest undekan, wydzielany przez robotnice pewnych mrówek, którego działanie trwa nawet 12 godzin:

Feromon agregacyjny owada Cosmopolites sordidus, głównego szkodnika bananowców, może w przyszłości pomóc w ograniczeniu jego populacji. Jego larwy żywią się kłączami tych roślin. Głównym składnikiem tego feromonu jest (+)-sordydyna.

Feromony dyskryminujące powodują u owadów społecznych (np pszczół, mrówek, termitów) hierarchiczny podział osobników. Najczęściej dzieje się to we wczesnym stadium ich rozwoju. Feromony dyskryminujące, będące mieszaniną kwasów karboksylowych o ośmiu i dziesięciu atomach węgla, powodują podział samic pszczół na robotnice i królową, powstrzymując rozwój części larw żeńskich w kierunku królowej. Feromon ten, wytwarzany przez gruczoły szczękowe pszczół, służy również jako dodatek konserwujący pożywienie larw. Feromony wytwarzane przez gruczoły szczękowe królowej, zwane QPM, wywołują posłuszeństwo robotnic wobec matki, zmuszają do niesienia jej pomocy, tworzenia orszaku wokół niej oraz skłaniają robotnice do pracy – opieki i ochrony larw, obrony gniazda, poszukiwania pożywienia. Hamuje on również zdolność robotnic do reprodukcji. QPM jest wytwarzany z kwasu stearynowego. U mrówek ogniowych feromon dyskryminujący jest mieszaniną nienasyconego cyklicznego ketonu oraz podobnego mu laktamu.

Feromony rozpraszające są używane do utrzymywania osobników w pewnej odległości od siebie w celu ograniczenia rywalizacji wewnątrzgatunkowej (o żywność, partnerów płciowych, miejsca składania jaj, zakładania gniazd).

Niektóre feromony pełnią kilka funkcji, na przykład kwas mrówkowy może pełnić zarówno funkcje obronne, jak i alarmujące:

Przykłady feromonów

Znaczna część feromonów są mieszaninami kilku związków, z jedną substancją dominującą. Rzadziej są to jednoskładnikowe substancje chemiczne.

Przykłady feromonów

Wzór strukturalny	Nazwa, opis
	Bombikol (nazwa systematyczna - (10E,12Z)-heksadekadien-1-ol) – feromon płciowy samiczki jedwabnika. Pierwsza substancja wyizolowana i opisana jako feromon przez Adolfa Butenandta w 1959 roku.
	(3S,11S)-dimetylononakozan-2-on i cykloheksylooctan propylu – feromony płciowe karaczana prusaka.
	13,23-dimetylopentatriakontan – feromon płciowy samic muchy tse-tse.
	(9Z)-dokozen – feromon płciowy samic muchy domowej.
	Androstenol – feromon odpowiedzialny za regulację instynktu płciowego u samca świni.
	Kwas kapronowy (kwas heksanowy) – feromon wyznaczający drogę u termitów.
	Kwas 9-oksodek-2-enowy ("królewska substancja") – feromon królowej pszczoły miodnej. Należy do grupy feromonów wielofunkcyjnych – jest odpowiedzialny za przywabianie robotnic i hamowanie rozwoju ich jajników. Jest również feromonem płciowym.
	Octan izopentylu – feromon alarmowy pszczół miodnych, wypuszczany wraz z ich jadem, wskazujący innym pszczołom miejsce żądlenia.
	Frontalina – feromon agregacyjny kornika Dendroctonus frontalis.
	Disparlur (nazwa systematyczna – (7R,8S)-7,8-epoksy-2-metylooktadekan) – feromon mniszki brudnicy.
	Ipsenol (2-metylo-6-metylenookt-7-en-4-ol) i ipsdienol (2-metylo-6-metylenookta-2,7-dien-4-ol) – hormony płciowe kornika drukarza.
	2,5-dimetylopirazyna – feromon wyznaczający drogę u mrówki murawki darniowca.
	Merkaptan krotylowy i siarczek metylokrotylowy – feromon stresu skunksa, wydzielany przez jego gruczoły odbytowe. Ma za zadanie odstraszać napastnika i informować o zagrożeniu inne osobniki.
	Hormony płciowe kwieciaka bawełnianego – przykład feromonu, będącego mieszaniną kilku związków.

Skład feromonów zależy nie tylko od gatunku, ale często także od pory roku, pory dnia, miejsca występowania gatunku, spożywanych przez osobniki pokarmów czy wieku danego osobnika.

Produkcja feromonów u zwierząt

Feromony są produkowane przez owady najczęściej w gruczołach zewnętrznych. Dla przykładu, żeńskie feromony płciowe są wytwarzane w gruczołach umieszczonych pomiędzy ostatnimi segmentami odwłoku. Innym przypadkiem są samce wielkiej ćmy woskowej, których gruczoły wytwarzające feromony są umieszczone w skrzydłach.

Ogólnie gruczoły odpowiedzialne za tworzenie feromonów zostały podzielone na dwie grupy. Do jednej należą gruczoły zbudowane z komórek nabłonkowych, wydzielające substancje bezpośrednio do otaczającego je nabłonka. Drugą grupę stanowią gruczoły o bardziej skomplikowanej budowie, zawierające wyspecjalizowane komórki wydzielnicze i kanałowe. Ich produkty mogą być wydzielane bezpośrednio na zewnątrz lub gromadzone przez zwierzę w osobnych zbiornikach. Na przykład, mrówki gromadzą swój jad, zawierający głównie kwas mrówkowy (stężenie do 65%), w specjalnych zbiornikach w odwłoku. Masa jadu może stanowić do 22% wagi mrówki.

Rozprzestrzenianie feromonów

Do szybkiego przekazywania informacji organizmy używają feromonów lotnych, o niskiej masie cząsteczkowej, albo zawierających nietrwałe grupy chemiczne, na przykład aldehydową. Substancje te za pomocą wiatru, wody lub w wyniku bezpośredniego kontaktu docierają do odbiorcy.

Zasięg działania feromonów jest różny. Dla niektórych feromonów wynosi on 6 milimetrów, zaś dla pewnych feromonów płciowych wynosi nawet ponad 600 metrów. Czas działania poszczególnych feromonów zależy od ich przeznaczenia. Feromony ścieżkowe mają długi okres działania, rzędu godzin. Feromony alarmowe działają szybko, ale odpowiednio krótko, aby kolonia nie pozostawała zbyt długo w stanie gotowości bojowej. Dla przykładu, feromon alarmowy pewnego gatunku mrówek wykazuje zasięg działania 10 centymetrów, a po dwóch minutach jego stężenie spada poniżej progu aktywności.

Także właściwości feromonów mają duże znaczenie. Substancje lotne są używane jako feromony działające w powietrzu, a feromony rozchodzące się w wodzie są hydrofilami. W środowisku wodnym szybkość rozprzestrzeniania się feromonów jest mniejsza niż w powietrzu, jednak czas ich działania jest dłuższy.

Działanie feromonów

Aby u odbiorcy zaszła reakcja na feromon, cząsteczki substancji muszą dotrzeć do tej części ciała, w której znajdują się odpowiednie receptory. U owadów są to najczęściej czułki. Zaadsorbowane na powierzchni receptora feromony przenikają do jego wnętrza dzięki zjawisku dyfuzji. Tam poprzez system kanalików docierają do wnętrza, gdzie następuje ich rozpoznanie i przekształcenie chemiczne, co z kolei wzbudza impuls przesyłany do mózgu. Zapoczątkowuje to różne procesy, między innymi syntezy lub uwalniania hormonów i enzymów. Te procesy wywołują zachowanie odbiorcy, zgodne z przekazywaną przez feromon informacją.

Efekt działania feromonu zależy często od jego stężenia. Przykładem jest 4-metyloheptan-3-on. Jest to feromon mrówek z gatunku Pogonomyrmex bodius, który przy niskich stężeniach wymusza u robotnic posłuszeństwo królowej, przy wyższych wywołuje u nich agresję i atak, zaś w jeszcze wyższych stężeniach przenosi rozkaz kopania podziemnych korytarzy:

Feromony są aktywne w bardzo niskich stężeniach. Stężenie aktywne bombikolu wynosi zaledwie 10^-23 g/cm³, czyli około 2500 cząsteczek związku w 1 cm³ powietrza. Dla porównania, w 1 cm³ powietrza znajduje się 2,7·10¹⁹cząsteczek - w większości tlenu oraz azotu. Przy tak niskim stężeniu teoretycznie wywołanie określonego zachowania powinno następować pod wpływem pojedynczej cząsteczki związku, jednak w praktyce potrzebne jest do tego więcej cząsteczek, aby zapobiec przypadkowej reakcji na bodziec.

Niektóre gatunki wydzielają ten sam feromon. Dochodzi wtedy często do międzygatunkowych kontaktów płciowych. U motyli z rodziny niedźwiedziówkowatych zdarzają się przypadki kopulacji międzygatunkowej. Samice krasopani poziomkówki wydzielają ten sam feromon płciowy co samice proporzycy marzymłódka, jednak najprawdopodobniej oba gatunki posiadają mechanizm zabezpieczający je przed hybrydyzacją.

Feromony powierzchniowe

Feromony powierzchniowe służą do wzajemnego rozpoznawania się lub prezentacji przynależności kastowej. Mogą też pełnić afrodyzjaków.

Na powierzchni skóry muszki owocówki wykryto około 15 różnych węglowodorów, z których część pełni rolę feromonów. Pod ich wpływem muszki wykonują specyficzne ruchy przypominające taniec, zachęcający samce i samice do kopulacji. Po jej dokonaniu samiec pozostawia na powierzchni samicy feromony, które obniżają jej atrakcyjność u innych partnerów. Węglowodory występujące w mniejszych ilościach mogą wykazywać inne działanie. Szczególnym przykładem jest pentakoz-7-en, hormon płciowy samców, który w dużych stężeniach wywołuje u nich skłonności homoseksualne:

U os z gatunku Polistes fuscatus feromony powierzchniowe służą do zróżnicowania najbliżej spokrewnionych robotnic, czyli córek jednej królowej oraz robotnic wyklutych z jaj siostry królowej od niespokrewnionych osobników tego samego gatunku. Przeważającą część mieszaniny znajdującej się na powierzchni ich ciała stanowią pochodne heksanu – są to głównie węglowodory, które odpowiadają za rozpoznawanie stopnia pokrewieństwa. Ich działanie skutkuje akceptacją lub odrzuceniem danego osobnika przez grupę owadów. Skład mieszaniny jest zmienny i charakterystyczny dla danej rodziny czy kolonii.

Rola narządu przylemieszowego

Tapir anta w charakterystycznym grymasie, odsłaniającym narząd Jacobsona

Koń unoszący górną wargę, odsłaniający narząd Jacobsona

Przekrój przez jamę nosową zarodka ludzkiego. Zaznaczono narząd przylemieszowy

Narząd przylemieszowy (narząd Jacobsona, łac. organum vomeronasale, ang. vemoronosal organ – VNO) jest częścią ciała ssaków, reagującą na feromony. Ma kształt podwójnego, krótkiego, spłaszczonego kanalika chrząstkowego o długości 2–9 mm. Jest wyścielony nabłonkiem migawkowym. Jego obecność stwierdzono u większości płazów, gadów i ssaków. Nie stwierdzono jego obecności u krokodyli i u ptaków. Feromony docierające do narządu Jacobsona wywołują u zwierząt odpowiednie reakcje.

U płazów i gadów nie ma on połączenia z jamą nosową – jest ona umieszczona powyżej. Narząd składa się z dwóch kieszonek, których kanały otwierają się na podniebienie jamy gębowej w przedniej części niezależnie od siebie. Wypełnione są cieczą produkowaną w gruczołach przyocznych. Feromony przenoszone końcem języka trafiają do VNO, gdzie poprzez płyn docierają do nabłonka węchowego na obrzeżach narządu.

U ssaków narząd przylemieszowy znajduje się w pobliżu kości lemieszowej, po obu stronach przegrody nosowej. Za pomocą lizania lub węszenia zwierzę przenosi feromony przez ślinę do VNO. Słonie używają do tego swej trąby, zaś kopytne i kotowate unoszą górną wargę, aby umożliwić feromonom wniknięcie do narządu przylemieszowego. Ponadto sam narząd kurczy się i rozszerza, zasysając w ten sposób odbierane substancje.

Narząd przylemieszowy u ludzi wykształca się w okresie zarodkowym pod koniec pierwszego trymestru. Wykazuje podobieństwo do analogicznych narządów u zwierząt. U noworodków VNO pełni swoje funkcje. Działanie narządu u dorosłych nie zostało potwierdzone, jednak uważa się, że wraz z dorastaniem jego funkcje zanikają.

Feromony zwierząt morskich

Środowisko wodne zasadniczo różni się od środowiska lądowego. Charakteryzuje się znaczną gęstością, niewielką przenikliwością dla sygnałów oraz dużą zawartością zanieczyszczeń chemicznych oraz mechanicznych, takich jak zawiesiny i mikroorganizmy. Ponadto akweny, w których żyją zwierzęta wodne, mają z reguły dużą powierzchnię. Dlatego też feromony pełnią znaczącą rolę w cyklu rozrodczym organizmów wodnych. Feromony umożliwiają również rybom rozpoznawanie stopnia pokrewieństwa.

Głównym zadaniem feromonów płciowych ryb jest synchronizacja okresu rozrodu tak, aby nie doszło do rozcieńczenia nasienia lub oddalenia od siebie gamet przed ich połączeniem się. Feromony wydzielane przez samce razem ze spermą oraz przez samice razem z jajami wywołuje wydzielanie gamet u osobników obu płci. Dobrym przykładem takiego działania są gody śledzia atlantyckiego. Razem z mleczem samców wydzielany jest feromon, pod wpływem którego następuje uwolnienie gamet. Głównymi jego składnikami są wolne i związane steroidy; jego ilościowy skład jest zmienny. Minimalne stężenie aktywne tego feromonu odpowiada rozcieńczeniu świeżego mlecza w wodzie w stosunku 1:500. Następnie samice również wydzielają feromon płciowy. Jego skład nie jest dotychczas poznany.

Wiele feromonów płciowych zawiera steroidy. Przykładem jest feromon złotej rybki, który jest mieszaniną przynajmniej pięciu steroidów oraz prostaglandyn.

Synchronizacja rozmnażania u koralowców jest podobna do procesu ryb. Na rozmnażanie korali wpływają stopień naświetlenia, temperatura wody, fazy księżyca, oraz czas pływów, które wywołują potrzebny ruch wody. W dogodnym momencie wydzielane są feromony, które stymulują wydzielanie gamet.

Feromony węży

Feromony odgrywają znaczącą rolę w rozmnażaniu węży. Przykładem mogą być osobniki z gatunku Thamnophilis sirtalis parietalis, na których skórze znajdują się powierzchniowe feromony płciowe. Feromony żeńskie są mieszaniną nasyconych i nienasyconych metyloketonów o 29 do 37 atomach węgla, zaś feromony męskie zawierają skwalen oraz inne lipidy.

skwalen

Podczas godów, samice rozpoznają samców, występujących w znacznej przewadze (od 10 do 100 na jedną samicę), poprzez dotyk ich skóry językiem.

Jeżeli jednak samicę posmaruje się feromonami płciowymi samców lub pozbawi ją feromonów żeńskich, samica ta nie będzie przez samców traktowana jak samica. Posmarowanie skóry samca ekstraktem skóry samic powoduje, że samce te są traktowane jak samice; nie jest to jednak objaw homoseksualizmu.

Feromony ssaków

W przeciwieństwie do feromonów owadzich, które badane są już od dłuższego czasu, istnienie feromonów ssaków dopiero niedawno zostało potwierdzone. Przeszkodą w ich skutecznym badaniu jest, oprócz niskich stężeń tych substancji, trudność w znalezieniu testu pozwalającego badać reakcję zwierząt na feromony. Niemożliwe jest na przykład stosowanie elektroantenografii, metody szeroko wykorzystywanej do badania zachowań owadów (zobacz „Otrzymywanie feromonów”). Badania feromonu wydzielanego przez krowy w okresie płodnym przez długi czas nie przynosiły rezultatów. Mimo wydzielenia frakcji aktywnej feromonu, oznaczenia przybliżonej masy cząsteczkowej aktywnego związku oraz określenia jego podstawowych własności, aż do roku 1997 nie udało się wydzielić związku w stanie czystym. Najnowsze badania dowodzą, że feromon samic krów nie jest wydzielany z pochwy, jak dotychczas sądzono, ale wraz z moczem.

Badania prowadzi się najczęściej przez zachowań zwierząt. Stwierdzono, że często feromony znajdują się w moczu samców. Stąd nieaktywny jest mocz kastratów, osobników niedojrzałych płciowo i starych. Jego głównym składnikiem są androgeny, związki o budowie steroidowej. Samice z kolei wytwarzają substancje, które stymulują samce do wytwarzania androgenów, a tym samym do zwiększenia aktywności seksualnej.

Dużą rolę w kojarzeniu partnerów odgrywają feromony lotne. Osobniki przetrzymywane w niewoli często zatracają zdolność ich odbierania, stąd znaczne trudności w rozmnażaniu zwierząt żyjących np. w ZOO. Nie dotyczy to jednak gryzoni oraz zwierząt udomowionych. Szczególną rolę w badaniu feromonów ssaków odgrywają chomiki. Do celu badań stworzono specjalne, odizolowane od otoczenia klatki, do których można było doprowadzać selektywnie powietrze czyste lub z domieszką odpowiednich substancji chemicznych, a odprowadzać powietrze zużyte. Samce chomików reagują na wydzielinę pochwy samic po około 3 minutach – podczas doświadczenia chomiki kierowały się do otworu, skąd dochodziły feromony i okazywały zespół aktywności seksualnej. Sama wydzielina pochwy chomików jest mieszaniną wielu związków, z których największą aktywnością odznacza się lotny disiarczek dimetylu. Frakcję nielotną stanowi szereg nierozpuszczalnych białek, które pełnią funkcję afrodyzjaków. Odbierania lotnych feromonów przez samca chomika wywołuje zainteresowanie samicą, zaś dopiero kontakt z nielotnymi białkami, których detektorem jest opisany wyżej narząd przylemieszowy (VSO), powoduje u samca zdolność kopulacyjną. Obwąchiwanie narządów płciowych samicy można zaobserwować również u samców innych gatunków.

Przykładami używania feromonów przez zwierzęta hodowlane mogą być: 5α-androsteron, jeden z feromonów samca świń, wywołujących u samic pozycję dogodną do kopulacji, oraz feromon wydzielany przez gruczoły tłuszczowe samców bobrów, zawierający osiem składników, z czego sześć aktywnych.

androsteron

Również słonie wykorzystują feromony płciowe. W tym przypadku pełnią one kluczową rolę w ich rozmnażaniu, ponieważ zwierzęta te prowadzą samotny tryb życia. Odpowiedni feromon jest wydzielany przez samice słoni wraz z moczem kilka tygodni przed rozpoczęciem okresu płodnego i wywołuje u samców charakterystyczną reakcję, w tym specyficzne ruchy trąbą, ułatwiające dotarcie substancji do narządu przylemieszowego. Następnie samiec zaczyna poszukiwania samicy – rozpoczynają się gody, trwające kilkanaście tygodni. Wspomniany charakterystyczny ruch trąbą umożliwił badanie reakcji słoni na feromony. Po piętnastu latach pracy naukowcy odkryli, że głównym składnikiem feromonu płciowego słoni jest octan (7Z)-dodeceno-1-ylu. Co ciekawe, jest on również głównym składnikiem feromonów płciowych ponad 120 gatunków owadów, głównie motyli.

Oprócz feromonów płciowych zwierzęta używają feromonów wyznaczających terytorium. Ma to miejsce w przypadku psów, wilków czy lisów – substancje te są zawarte w ich moczu. Powszechnie znana jest także reakcja psów na obecność suki w okresie cieczki, która jest wynikiem wydzielania przez samice feromonów lotnych.

Selektywność feromonów. Rola konfiguracji

Receptory feromonowe potrafią rozpoznać izomerię związków, w tym stereoizomerię. Największą selektywnością charakteryzują się feromony płciowe, które często są skomplikowanymi mieszaninami kilku związków, różniącymi się składem w zależności od gatunku i regionu występowania

Aktywność feromonów silnie zależy od konfiguracji cząsteczki. Wiele feromonów jest związkami chiralnymi i zwykle tylko jeden izomer jest biologicznie czynny. Dla przykładu, (10E,12Z) bombikol działa przy stężeniu około 10^-12 μg/cm³, a dla stereoizomeru (10Z,12Z) wartość ta wynosi około 1 μg/cm³. Znane są izomery feromonów, które wykazują działanie synergiczne, tj. ich mieszanina wykazuje większą aktywność niż pojedyncze składniki. Inne izomery mogą natomiast działać jako inhibitory – powodują zahamowanie bądź spowolnienie działania feromonu.

Istnieją jednak feromony, w których budowa cząsteczki nie odgrywa tak dużej roli. Przykładem feromonów niespecyficznych są: heptan-2-on i octan butylu, które różnią się znacznie właściwościami chemicznymi, ale maja podobną budowę (zbliżony kształt, po jednej grupie karbonylowej). Dlatego jako feromony wywołują podobne reakcje.

heptan-2-on	octan butylu

Otrzymywanie feromonów

Feromony są produkowane przez owady w bardzo niewielkich ilościach. Dlatego też wydzielenie ich z materiału naturalnego i zbadanie ich struktury wymagało długiej i ciężkiej pracy. Na przykład, do wyodrębnienia wyżej wymienionych feromonów kwieciaka bawełnianego potrzebne były odchody 4 milionów owadów. Prace na odkryciem bombikolu trwały 30 lat – do tego celu użyto 500 000 samic jedwabnika. Praca z tak małymi ilościami substancji wymagała specjalnych metod ich gromadzenia i analizy, między innymi ekstrakcję feromonu z mieszaniny wielu związków. Ponadto w procesie tym ginęło wiele owadów, np. w trakcie identyfikacji pierwszego feromonu ścieżkowego – feromonu mrówek Atta texana, występujących w USA i Meksyku – poddano ekstrakcji 3,7 kg mrówek.

Obecne techniki laboratoryjne umożliwiają wydzielenie feromonów nawet, jeżeli dysponuje się zaledwie kilkoma osobnikami danego gatunku. Następnie odkryte substancje otrzymuje się na drodze syntezy. Tak otrzymane feromony używa się do dalszych badań. Do porównywania feromonów syntetycznych z ich naturalnymi odpowiednikami stosuje się metody analizy spektralnej.

Na każdym etapie otrzymywania feromonu stosuje się testy aktywności biologicznej. Na przykład, feromony oznaczające drogę testuje się, nakładając badaną substancję na wąski pasek powierzchni i obserwując zachowania owadów. Łatwo można również obserwować działanie feromonów agregacyjnych. Zamiast żywych owadów stosuje się często ich części, zawierające odpowiednie receptory, np. czułki. Receptory, połączone przewodami ze wzmacniaczem, przekazują impulsy elektryczne do rejestratora. Metoda ta jest nazywana elektroantenografią (EAG). Jej zaletą jest znaczna czułość receptorów oraz ich specyficzność dla danego gatunku. Do testowania zachowań małych ssaków stosuje się specjalne klatki, do których wpuszcza się odpowiednie substancje wraz z powietrzem.

W przypadku otrzymywania feromonów metodami syntetycznymi należy zwrócić uwagę na budowę stereochemiczną tych związków.

Zastosowanie feromonów

W biologicznym zwalczaniu szkodników feromony zajmują bardzo ważne miejsce. W procesie ochrony roślin największe znaczenie mają feromony płciowe oraz agregacyjne. Ich niewielkie ilości są umieszczane w pułapkach feromonowych, rozlokowywanych w pobliżu upraw lub lasów. Stężenia feromonów są na ogół większe, niż w przyrodzie, przez co zagłuszają źródła naturalne i powodują kierowanie się owadów do pułapki. Zwabione owady dostają się do wnętrza pułapki i wpadają do specjalnego pojemnika. Następnie są zbierane i przeliczane. Nie powoduje to znaczącego spadku ilości owadów, jednak umożliwia obserwowanie okresów wylęgania się owadów, na podstawie czego można odpowiednio stosować opryski.

Pierwsze doświadczenia z pułapkami feromonowymi przeprowadzono w USA w 1913 roku na brudnicy nieparce. Obecnie używa się feromonów do zwalczania takich szkodników, jak:

• owocówka jabłkóweczka
• brudnica mniszka
• korniki
• borecznik Diprion similis
• szkodniki magazynowe

W zwalczaniu insektów są pomocne również hormony juwenilne (młodzieńcze) – zatrzymujące rozwój owadów w stadium larwalnym.

Działanie hormonu agregacyjnego u pluskwiaków

Pułapka feromonowa na motyle – przezierniki

Feromonowa pułapka na korniki

Feromony mogą też zastępować insektycydy w procesie ochrony żywności. Zwalczają one ściśle określone gatunki owadów, w wybranej fazie rozwoju, poprzez zapobieganie zapłodnieniu, utrudnianie złożenia jaj czy hamowanie przepoczwarzenia. Są one łatwe w stosowaniu, a ponad to nie zanieczyszczają one środowiska jak inne środki owadobójcze oraz nie wywołują efektu uodpornienia u szkodników.

Występowanie feromonów u ludzi

Występowanie feromonów u ludzi nie zostało jak dotąd udowodnione. Przeprowadzono badania, mające na celu wyodrębnienie takich substancji. Miałyby się one znajdować w pocie i oddechu i decydować o atrakcyjności u płci przeciwnej. Badania te nie zostały jednak potwierdzone.

Źródła

• Artykuł na polskiej Wikipedii
• Chemfan.pl – Feromony