Aleksander Kołodziejczyk Politechnika Gdańska

1. Aleksander Kołodziejczyk Politechnika Gdańska F E R O M O N Y Gdańsk 2011.

2. Organizmy żywe wykorzystują substancje chemiczne jako: • -materiał budulcowy (białko, celuloza); • - źródło energii (cukry, tłuszcze, białka); • regulatory (enzymy, hormony, feromony); • środki transportu (tlenu, lipidów) • nośniki informacji (DNA, RNA, determinanty); • - czynniki ochronne (przeciwciała); • - elementy umożliwiające ruch (mięśnie).

3. Związki infochemiczne (ZI) są wydzielane na zewnątrz w celu ułatwienia zdobywania pożywienia; reprodukcji; hierarchizacji;obrony. ZI stanowią najstarszy, niezwykle wydajny i dogodny nośnik informacji pomiędzy organizmami. Informacja w ZI jest zakodowana, a wysłany pakiet informacji wywołuje u odbiorcy reakcję odruchową. Nie dochodzi do takiej sytuacji jak u ludzi, kiedy po skrytykowanej wypowiedzi słyszy się tłumaczenie: może i tak powiedziałem, ale nie to miałem na myśli. W porównaniu z mową czy pismem informacja zawarta w ZI jest bardzo konserwatywna (mało elastyczna) – sygnał jest trudny do modyfikacji. Pośród ZI wyróżnia się feromony, czyli te ZI, które są przeznaczone dla osobników tego samego gatunku. Nazwa feromony pochodzi od greckich słów pherein (przekazywać) i hormon (pobudzać). Funkcjehormonów i feromonów są bardzo zbliżone. Różnica polega na tym, że - hormony są endogenne, a - feromony są egzogenne. Feromony wydzielane są na zewnątrz w celu wywołania zaprogramowanej odpowiedzi u innego osobnika (osobników) tego samego gatunku. Zw. chemiczne wydzielane w takim samym celu, ale przeznaczone dla osobników innego gatunku nazywają się związkami allochemicznymi (allomony, kairomony i synomony). Związki allochemiczne służą, np. do przyciąganiaofiar lub owadówzapylających, także do obrony lub ataku (jady, toksyny).

4. Cechy sygnału Rodzaj sygnału wizualne dotykowe dźwiękowe chemiczne Zasięg średni b. krótki daleki b. daleki Szybkość wymiany informacji duża duża duża średnia Zdolność omijania przeszkód brak b. słaba duża b. duża! Możliwość lokalizacji źródła duża duża średnia zmienna Wydatek energetyczny mały mały średni mały Chronologia w procesie ewolucji późno wcześnie późno pierwotny Potencjalna pojem. informacji duża mała duża b. duża! BIOLOGICZNE ŚRODKI PRZEKAZU INFORMACJI Podział feromonów: wywoływacze i podstawowe. Podział wg funkcji, około 30 grup, np.: agregacyjnealarmującehierarchizujące identyfikujące mylącepłciowerozpraszające stymulujące ścieżkowe wielofunkcyjne znakujące zniechęcające

5. Pierwszym poznanym feromonen był bombykol, nienasycony alkohol o nazwie (10E,12Z)-heksadeka-10,12-dien-1-ol. Został on odkryty przez Adolfa Butenandta w 1959 r., który badania nad feromonami rozpoczął 30 lat wcześniej na Politechnice Gdańskiej. Odkrycie bombykolu, który działa jako pojedynczy związek utrwaliło na długie lata przekonanie, że feromony są substancjami jednoskładni-kowymi. Dopiero w latach 90. XX w. udowodniono, że większość feromonów to mieszaniny, często zawierające składnikdominujący. Skład feromonów jest zależny gatunkowo, może też zmieniać się pod wpływem pory roku, porydnia, miejsca występowania gatunku, diety, a nawet wieku osobnika. Składnik główny jest zazwyczaj związkiem aktywnym, a inne mogą mieć działanie wspomagające, obniżające aktywność, a nawet działać antagonistycznie. Różnice w składzie feromonu chronią gatunki pokrewne przed krzyżowaniem się; stoją więc na straży czystości gatunkowej. W skład F płciowegobrudnicy mniszki i b. nieparki wchodzą 3 te same związki, przy czym jeden z nich zwiększa aktywność głównego składnika u b. mniszki, a obniża jego aktywność w działaniu na b. nieparkę. Składniki F płciowych brudnicy mniszki i b. nieparki – 10:10:1. (+)-disparlur (+)-monachalur (7Z)2-metylooktadec-7-en

6. Skład feromonów płciowych spokrewnionych gatunków

7. Selektywność. Budowa i skład feromonów ma duży wpływ na ich aktywność. Przykładem mało selektywnych feromonów mogą być heptan-2-on i octan n-butylu, których kształt cząsteczek jest zbliżony. heptan-2-on octan n-butylu Większość receptorów feromonowych jest bardzo specyficzna – rozróżniają nie tylko określone związki chemiczne, ale i ich izomery, w tym enancjomery. Relacja aktywności stereoizomerów: - jeden izomer aktywny dla jednego gatunku - oba izomery aktywne - drugi izomer jest inhibitorem - drugi izomer działa synergicznie - aktywna jest tylko mieszanina racemiczna -jeden izomer aktywny dla samic, drugi dla samców. Zawartość 1% izomeru (S) w (+)-(R)-japonilurze, atraktancie skarabeuszy popilii powoduje spadek jego aktywności o 33%. (+)-(R)-japonilur (R)-olean działa na samce, a (S)-olean na samice muszki Dacus oleae. olean

8. Wytwarzanie feromonów Feromony mogą być produkowane w tkance lub w specjalnych gruczołach nabłonkowych. U mrówek znaleziono około 50 gruczołów wytwarzających ZS. Feromony są wydzielane na zewnątrz bezpośrednio po wyprodukowaniu lub zostają zmagazynowane.Mrówki Formicidae magazynują jad w specjalnych zbiorniczkach. Jego głównym składnikiem jest kwas mrówkowy (do 65%). Jad może stanowić nawet 22% wagi mrówek. Oddziaływanie. Do wywołania pożądanego efektuferomon musi dotrzeć do tej części ciała, w której znajdują się receptory - u owadów są to najczęściej czułki. Zawierają one setki tysięcy komórek receptorowych. Receptorem feromonów u ssaków jest narząd przylemieszowy (vomeronosal organ, VNO). Jest to krótki (2-9 mm), spłaszczony, podwójny kanalik chrząstkowy umocowany w przegrodzie nosowej. VNO uważany za szósty zmysł, który jest funkcjonalnie i anatomicznie oddzielony od zmysłu węchu. U większości ssaków jest dobrze wykształcony i pełni rolę odbiornika sygnałów chemicznych. Może być połączony z jamą ustną i wówczas reaguje także na związki nielotne. U dorosłych ludzi VNO występuje w stanie szczątkowym.U niemowlakówVNO jest lepiej wykształcony niż u dorosłych ludzi. Przypuszcza się, że potrafią one rozpoznać matkę i innych opiekunów na podstawie wydzielanych przez nich feromonów.

9. Rozprzestrzenianie się feromonów. W powietrzu rozchodzą się substancje lotne, a w wodzie polarne. Promień oddziaływaniaF zależy od ich funkcji i jest związany z lotnością i trwałością składników. F alarmowe powinny działać krótko w niewielkiej przestrzeni, np. jeden z nich jest aktywny przez 2 min w promieniu 10 cm. Feromony ścieżkowe wyznaczają wąską ścieżkę przez wiele godzin. F agregacyjne powinny być trwałe i aktywne przez wiele godzin w promieniu kilku kilometrów. Również atraktanty (F płciowe) działają na duże odległości. Samcejedwabnika przylatują na wezwanie samicyz odległości nawet kilkunastu km. F powierzchniowe są mało lotne i stają się aktywne tylko z bliskiej odległości, czasami dopiero po polizaniu skóry. F ścieżkowewyznaczająścieżką,którą podążają osobniki tworzące wspólnotę. Ścieżkę znacząmrówki (robotnice) specjalną wydzieliną, wracając z pożywieniemdo gniazda. FŚ są zwykle mieszaniną, której skład zależy od gatunku, także od kolonii czy rodziny, a nawet od rodzaju pożywienia i jego zasobów. Fznakujące terytorium są szeroko stosowane przez owady oraz inne zwierzęta, w tym ssaki drapieżne do oznakowania granic zamieszkiwania lub polowania. Substancjami zawartymi w moczu zakreślają graniceswoich terytoriów łowczych. F alarmowe wydzielane w wypadku zagrożenia kolonii czy rodziny wywołują u odbiorcy stosowną reakcje: ucieczkę, bezruch, krycie się lub agresję. F agregacyjne dają sygnał do skupiania się osobników w miejscu wydzielenia feromonu w celu opanowania nowego żerowiska, skolonizowania nowego miejscaczy zwabienia partnerów seksualnych.

10. Przykłady F agregacyjnych palmitynian etylu – Dendrooctus pseudotsugae 2-metylo-6-metyleno-okta-2,7-dien-4-ol , Ips pini, Ips paraconfusus Sulkatol, Cryptolestes turcicus F rozpraszające mają na celu utrzymanie osobników lub kolonie w określonej odległości od siebie w celu ograniczenia wewnątrzgatun-kowej rywalizacji o żywność, miejsce gniazdowania, partnerów.

11. F dyskryminujące wpływają na hierarchiczny (kastowy) rozwój osobników w kierunku, np. robotnic, wojowników lub królowej matki. Są popularne u owadów społecznych. Feromon QMP tłumi zdolność robotnic pszczół do reprodukcji, czyli osiągnięcia żeńskiej dojrzałości płciowej, ale po 2-3 tygodniach brakukrólowej lub jej bezpłodności robotnice uzyskują tę dojrzałość ]. Ta, która osiągnie ją pierwsza zaczyna wydzielać QMP i powstrzymuje transformację innych robotnic. W skład F szczękowego (QMP) królowej pszczół wchodzą kwasy (2E)-9-hydroksydec-2-enowy 9-HDA (2E)-9-oksydec-2-enowy 9-ODA Składnikami feromonuQRP mrówek Solenopsis invicta są F płciowe służą do nawiązywania kontaktu z partnerem. Prowokujągrę wstępną prowadzącą do parzenia się, stymulują ten proces, synchronizują czynności z tym związane, zgodnie ze znanym powiedzeniem: żeby dwoje chciało naraz. F płciowymi mogą być różnorodne związki chemiczne.

12. Przykłady F płciowych fenol (szarańcza pustynna) (13R,23S)-13,23-dimetylopentatrikontan, (mucha tse-tse) (9Z)-9-trikozen (mucha domowa) Feromony powierzchniowe pomagają w identyfikacji osobniczej, gatunkowej, a także służą jako atraktanty ułatwiające zbliżenie partnerów. Na powierzchni wywilżny karłówki (muszki owocówki) D. Melanogaster pojawiają się w czasie gry wstępnej, w odpowiedniej kolejności substancje, które ułatwiają zbliżenie. Tymi substancjami się głównie długołańcuchowe węglowodory: (7Z,11Z)-heptakozan-7,11-dien, (7Z,11Z)-nonakoza-7,11-dien, (7Z)-trikoz-7-en,i (7Z)-pentakoz-7-en.

13. Nie u wszystkich gatunków stwierdzono występowanie F płciowych , np. nieznane są typowe F płciowe mrówek. Aktywność seksualna większości mrówek jest ograniczo-na do kilku dni, co utrudnia badania, a na dodatek niektóre z nich parzą się w locie. Może dlatego dotychczas nie znalezionoich F płciowych. Stwierdzono jednak, że rolę tę pełnią feromonyinnego typu. Samce niektórych gatunków mrówek podążają tropem F ścieżkowych do gniazda, gdzie czeka królowa. Przypuszcza się, że bliższy ich kontakt ułatwiają nierozpoznane dotąd feromony płciowe. U innych gatunków mrówek rolę F płciowych (wabików) pełnią F agregacyjne, przy czym przywoływać mogą zarówno samce (male aggregation syndrom) lub samice (female calling syndrom).

14. Jady i toksyny zwykle nie należą do feromonów, ponieważ skierowane są głównie przeciwko przedstawicielom innych gatunków w celu zdobywania pożywienia lub obrony. Powodują one ból, uczulenie, paraliż, a nawet śmierć. Przynoszą korzyść organizmowi, który je wydziela, a więc są allomonami. Substancje toksyczne wydzielają, np.:mrówki, pszczoły, szerszenie, osy, pająki, węże ... Zdarza się jednak, że ta sama substancja może być feromonem i allomonem. F płciowymryb gatunku Tetraodon jest tetrodotoksyna, jedna z najsilniejszych trucizn. Ryby te są uważane w Japonii za wielki przysmak, nie mogą być jednak spożywane w okresie rozrodczym. Niejeden smakoszprzepłacił życiem brak wiedzy o tej zależności. RybyTetraodon już w starożytnym Egipcie były stosowane do uśmiercania ludzi. tetrodotoksyna Saksytoksyna, bardzo silna trucizna produkowana przez bruzdnice morskie, którymi żywią się małże i skorupiaki. Spożywanie owoców morza skażonych saksytoksyną jest groźne dla życia ludzkiego. saksytoksyna

15. F płciowe nazywane są często atraktantami lub wabikami, ponieważ ich główną rolą jest zwrócenie uwagi potencjalnego partnera na osobnika wysyłającego sygnał w postaci chemicznej oferty. Zwykle do jej przyjęcia i spełnienia potrzebne są dodatkowe bodźce. U motyli tę rolę spełnia zabarwienie skrzydeł i innych części ciała. U ptaków może to być śpiew, a także barwy godowe. W bezpośredniej bliskości partnerzy wydzielają Fnielotne, przeznaczone wyłącznie dla wybranego partnera. Badanie feromonów F zostały po raz pierwszy wykryte u owadów i w tym świecie udało się rozpoznać ichnajwięcej, między innymi dzięki dogodnym testom. Najprościej badada się F ścieżkowe. Podobnie łatwo obserwować reakcję na F agregacyjne, rozpraszające czy alarmowe. Inne F owadzie też łatwo badać, ponieważ ich receptory znajdują się głównie w czułkach. Czułki zostały wykorzystane jako detektoryw aparatach analitycznych. Być może, prawie wszystkie organizmywydzielają feromony. Dotychczas jednak nie u wszystkich zwierząt wykryto F, ponieważ brakuje odpowiednich testów, są trudności w wykrywaniu substancji o b. niskim stężeniu, koszt badańdużych zwierząt jest wysoki, a także badania utrudnia wiele innych czynników.

16. O problemach związanych z wykrywaniem feromonów większych zwierząt świadczy historia identyfikacji F płciowegosłonia azjatyckiego. Samce słoni żyją samotnie poza stadem i tylko okres godowy spędzają z samicą, która na ten czas odłącza się od stada. Samica przed okresem płodnym wydziela wraz z moczem F płciowy, którego tropem podąża samiec. Godysłoni azjatyckich trwają kilkanaście tygodni, po czym zapłodniona samica przyłącza się do stada, a samiec wraca do poprzedniego trybu życia. IdentyfikacjaFpłciowegosłonia zajęła 15 lat pracy dużego zespołu badawczego. Udało się to głównie dzięki temu, że zauważono charakterystyczny ruch trąbąsamca, jako jego reakcję na ten feromon. Ruchtenokazał się świetnym testem, który wykorzystano w badaniach na słoniach w niewoli. Głównym składnikiem tego feromonu jest octan (7Z)-dodec7-en-1-ylu. Stosunkowo łatwo bada się feromonymałych ssaków. Z tego powodu dobrze poznanoferomonychomika, atakżeszczura.

17. Feromony organizmów żyjących w wodzie Ryby i innewodne organizmy mają trudności ze znalezieniem partnera, ponieważ woda jest środowiskiem trudno przenikalnym dla wielu sygnałów i zawiera dużo zanieczyszczeń mechanicznych. Podczas tarła zwykle nie dochodzi do zbliżenia partnerów - ikra i plemniki są wydzielane do wody. Zapłodnienie czylipołączenie gametwymaga pełnej synchronizacji. Synchronizację umożliwia wymiana F pomiędzy partnerami w ściśle określonej kolejności. Taka wymiana feromonów przypomina flirt towarzyski, w którym to na kolejną propozycję partner wysuwa następną, zwykle dalej idącą. W efekcie zostaje wydzielony Findukującyskładanie ikry, a wraz z ikrą przedostaje się do wody F stymulującywydzielania mlecza. W czasie tarła ryby zwykle szybko pływają, żeby zamieszać wodę, a tym samym umożliwić połączenie się gamet. Prócz owadów,wiele innych organizmówwykorzystuje feromony, np. węże, skorupiaki, a nawet glony. Jednaknajwiększezainteresowanie budzą F ssaków, nie mówiąc o feromonach człowieka. Badanie Fssaków prowadzi się poprzez obserwację zwierząt pod wpływem różnych bodźców. Zaobserwowano, że obecność aktywnych płciowo samców przyspiesza rozwój płciowy młodych samic oraz reguluje częstotliwość rui. Substancjami aktywnymi są androgeny.

18. Samice podczas rui wydzielają substancje, które stymulują wytwarzanie androgenów u samców, a więc zwiększają ich aktywność seksualną. Feromony wydzielane przez samice oddziałuję również na inne samice przebywające w grupie, np. opóźniają dojrzewanie płciowe młodych samic, a nawet zaburzają rytmiczność płciową dojrzałych samic. Wiele zwierząt trzymanych w niewolizatraciło zdolność reagowania na F płciowe. Dotyczy to przede wszystkim zwierząt żyjących w ZOO. Ich szósty zmysł został przytłumiony. Zwierzęta dawno udomowione ponownie odzyskały zdolności prokreacyjne. Dużą rolę w nawiązywaniu kontaktu między partnerami odgrywają lotne F płciowe; wzbudzają zainteresowaniesamca samicą. W bezpośredniej bliskości partnerów oddziałująF niskolotne lub nielotne. Stymulują one aktywność kopulacyjną wybranego partnera. Mogą być wydzielane w okolicy genitaliów, znajdować się w sierści lub w ślinie. U świń,samica przyjmuję pozycję prokopulacyjną pod wpływem nielotnego F występującego w ślinie knura. Jest to analog adrosteronu i ma on tak silne działanie, że został nazwany „deprawatorem”. Uowiec wieloskładnikowy lipidowy F płciowy znajduje się w wełnie tryka. Psy bardzo zdecydowanie reagują na lotne F płciowe wydzielane przez suki w okresie cieczki. Docierają one do receptorów psa z dużej odległości pomimo przeszkód architektonicznych.

19. Psy, wilki, lisy i inne drapieżne zwierzętaspryskująmoczem graniceobszaru uznawanego przez nie za obszar swojego przebywania lub polowania. W moczu znajdują się F znaczące terytorium. Wtargnięcie na taki teren osobnika tego samegolubzbliżonego gatunku oznacza inwazję i jest sygnałem do walki. U psów domowych spryskiwaniem obiektów moczem podczas spaceru, nawet daleko od domu, jest „atawizmem”. Podobnie robią ludzie pisząc: „ja tu byłem”. Wraz z rozwojem układu nerwowegocoraz większy wpływ na zachowanie obok feromonów wywierają inne czynniki. Karny pies nie pobiegnie do suki pomimo rozsiewanych przez nią feromonów, podobnie jak nieweźmie jedzenia od obcego. U ludzi, skomplikowany zespół czynników wpływający na ich psychikęutrudnia poszukiwanie feromonów. Na zachowanie ludzi wpływa środowisko, wychowanie, religia, wzorce kulturowe, a także substancje chemiczne, które nie są feromonami, np. katecholoaminy, hormonypłciowe czy wreszcie oksytocyna. Dlatego u ludzi trudno jednoznacznie określić rolęferomonów. U ludzi dorosłychVNO występuje w stanie szczątkowym. W tej sytuacji, nawet gdyby ludzie wydzielali F tak powszechnie jak zwierzęta, brak sprawnychreceptorów osłabia, a nawet znosi aktywność F. Badania nad F ludzkimiutrudnia ponadto brak odpowiednich testów. Również komisja ds. etyki nie wyda zgody na prowadzenie badań sprawdzających działanie ludzkich F płciowych.

20. Feromony znalazły praktyczne zastosowanie, przede wszystkim w zwalczaniuszkodników . Mogą one zapewnić niszczenie ściśle określonego gatunku, w wybranej fazie rozwoju, np. poprzez zapobieganie zapłodnieniu, utrudnienie składania jaj, hamowanie przepoczwarzania, itp. Specjalne pułapki zawierające F wabią owady w wybranym okresie. W nich są substancje toksyczne, uśmiercające szkodniki. Feromony mają przewagę na innymi środkami zwalczającymi szkodniki ponieważ nie zatruwają środowiska, nie wywołują efektu odporności,umożliwiają zwalczanie szkodników przed żerowaniem, łatwiej uzyskać zgodę na ich stosowanie. Pomimo wielu zalet pułapki feromonowe nie znalazły dotychczas szerokiego zastosowania, ponieważ są droższe niż tradycyjne środki zwalczające szkodniki – głównie z powodu małego popytu. Działa tu ujemne sprzężenie zwrotne. Nie ma też praktycznie promocji takich pułapek. Mało kto wie, że Polsce oferowanych jest wiele feromonowych preparatów do zwalczania szkodników, zarówno upraw leśnych, jak i rolnych. Pośród nich są preparaty zwalczające takie szkodniki jak: Brudnica mniszka (Lymantria monacha), Brudnica nieparka (L. Dispar), Drwalik paskowy (Trypodendron lineatum Ol.), Kornik drukarz (Ips typographus L.), Rytownik pospolity (Pityogenes chalkographus L.), Strzygonia choinówka (Panolis flammea Schiff), Wskaźnica modrzewianeczka (Zietaphera griseana), Zwijówka dębowa (Totrix viridana L.), Zwójka rdzaweczka (Achips podana Sc.), Zwójka sosnóweczka (Phyacionia buoliana Deu.) i inne.

21. Trwają intensywne prace zmierzające do otrzymania kosmetyków zawierających ludzkie F płciowe, jak na razie bez powodzenia. Niektórym przywódcom politycznym marzą się F hierarchizujące dla ludzi, działające podobnie jak u pszczół: wiele robotnic, nieliczne samce mające do wyboru rzeszę partnerek lub nieliczne samce tylko do zapłodnienia jedynej królowej raz na całe życie, albo też jedyny król (przywódca!), będący samcem alfa. Może to i lepiej, że u ludzi VNO znajduje się w stanie szczątkowym. Im bardziej on szczątkowy, tym trudniej narzucić wolę ludziom za pomocą feromonów.