Pheromone là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và lịch sử nghiên cứu

Pheromone là các hợp chất hóa học ngoại bào do động vật tiết ra để truyền thông tin đến các cá thể cùng loài, kích hoạt những phản ứng sinh lý hoặc hành vi đặc hiệu. Chúng hoạt động như tín hiệu vô hình, lan truyền qua không khí hoặc môi trường xung quanh, nhằm điều phối tương tác xã hội như tìm kiếm bạn tình, báo động nguy hiểm, hoặc tập trung nguồn thức ăn.

Khái niệm “pheromone” do Karlson & Lüscher đề xuất năm 1959, đánh dấu bước ngoặt trong sinh học hóa học khi tách biệt pheromone với các hormone nội bào. Nghiên cứu đầu tiên về pheromone tình dục của con tằm (bombyx mori) đã mở đường cho cả ngành hóa sinh hành vi: bombykol được phân lập và xác định cấu trúc hóa học vào cuối thập niên 1950.

• 1959: Karlson & Lüscher đặt tên “pheromone”.
• 1960s: Phân lập bombykol – pheromone tình dục đầu tiên.
• 1970s–1980s: Mở rộng nghiên cứu sang côn trùng và động vật có vú.
• Hiện nay: Ứng dụng trong kiểm soát sâu bệnh, nghiên cứu thần kinh, sinh sản nhân tạo.

Phân loại pheromone

Pheromone được chia thành nhiều loại dựa theo chức năng sinh học chính. Các nhóm phổ biến nhất gồm:

• Sext pheromones: Gây hấp dẫn bạn tình, thường do giao phối quyết định.
• Trail pheromones: Dấu hiệu đường đi, hỗ trợ côn trùng tìm đường đến nguồn thức ăn.
• Alarm pheromones: Phát tín hiệu cảnh báo nguy hiểm, nhanh chóng kích hoạt phản ứng tập thể.
• Aggregation pheromones: Thu hút cá thể cùng loài tập hợp đông đúc, ví dụ trong quá trình sinh sản hoặc di cư.
• Primer pheromones: Thay đổi quá trình phát triển sinh lý dài hạn, điều chỉnh chu kỳ sinh dục hoặc tăng trưởng cơ quan.

Mỗi loại pheromone không chỉ khác nhau về chức năng mà còn về cấu trúc hóa học, điểm bay hơi, độ bền và cách phát tán trong môi trường. Ví dụ, trail pheromones của kiến thường có phân tử nhỏ, dễ bay hơi nhanh, trong khi primer pheromones của chuột là các phân tử peptid phức tạp, tồn tại lâu dài.

Cấu trúc hóa học điển hình

Bombykol, pheromone tình dục của con tằm, là ví dụ kinh điển với công thức phân tử:

$\mathrm{C_{16}H_{30}O}$

Công thức cấu trúc của bombykol có thể viết tắt: CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇CHO. Mạch hydrocarbon dài kết hợp nhóm chức aldehyde tạo ra tính bay hơi vừa đủ để lan truyền qua không gian giữa con đực và con cái.

Pheromone	Công thức	Khối lượng phân tử (g/mol)
Bombykol	C₁₆H₃₀O	238.41
cis-Vaccenyl acetate	C₂₀H₃₈O₂	310.52
2-Heptanone	C₇H₁₄O	114.19

Không chỉ côn trùng, nhiều loài động vật có vú cũng tiết pheromone với cấu trúc đa dạng: từ các este, ceton, acid béo đến các peptide và protein. Sự đa dạng này đòi hỏi các kỹ thuật phân tích mạnh mẽ để xác định chính xác mỗi hợp chất.

Cơ chế cảm nhận pheromone

Ở côn trùng, pheromone được phát hiện qua các thụ thể mùi nằm trên anten. Mỗi anten chứa hàng ngàn tế bào thụ cảm mùi (olfactory receptor neurons – ORNs), mỗi ORN chuyên biệt cho một hoặc vài phân tử pheromone nhất định.

Quá trình truyền tín hiệu gồm ba bước chính:

1. Gắn kết: Phân tử pheromone tiếp xúc và gắn vào receptor protein trên màng ORN.
2. Khuếch tán tín hiệu: Thay đổi điện thế màng, kích hoạt kênh ion và dẫn truyền xung thần kinh.
3. Xử lý trung ương: Tín hiệu đến não bộ hoặc các ganglion thần kinh, nơi thông tin được tích hợp để sinh ra phản ứng hành vi.

Bước	Mô tả
Nhận biết	Gắn vào receptor chuyên biệt
Chuyển đổi	Kích hoạt kênh ion, thay đổi điện thế
Phân tích	Não/ ganglion tổng hợp tín hiệu

Ở động vật có vú, pheromone thường được phát hiện qua cơ quan Jacobson (vomeronasal organ – VNO) trong mũi, dẫn tín hiệu đến hệ limbic của não, ảnh hưởng mạnh đến hành vi xã hội và sinh sản mà không qua ý thức.

Vai trò sinh học và hành vi

Pheromone đóng vai trò thiết yếu trong điều khiển hành vi xã hội của nhiều loài, từ côn trùng đến động vật có vú. Chúng góp phần định hướng hành vi tìm kiếm bạn tình — ví dụ, con tằm cái tiết bombykol để thu hút con đực từ khoảng cách hàng trăm mét. Ở loài kiến, trail pheromone đánh dấu đường đi giữa tổ và nguồn thức ăn, giúp tập hợp đồng loại và tối ưu hóa quá trình khai thác tài nguyên.

Alarm pheromone là cơ chế phòng thủ nhanh chóng khi cả đàn gặp nguy hiểm. Khi một cá thể bị đe dọa, nó tiết ra pheromone cảnh báo để kêu gọi hỗ trợ hoặc kích hoạt phản ứng tản đàn. Ở ong mật, khi bị tấn công, tuyến Nasanov tiết pheromone thu hút ong lao vào đối tượng xâm nhập nhằm bảo vệ tổ.

Primer pheromone tác động dài hạn lên sinh lý và phát triển sinh sản. Ở chuột, pheromone từ chó mẹ có thể điều chỉnh chu kỳ sinh dục của con cái non, ức chế rụng trứng để đồng bộ hóa việc sinh nở trong nhóm. Hiệu ứng này minh chứng cho khả năng điều hòa nội tiết tố theo tín hiệu ngoại bào.

• Tìm bạn tình: bombykol (bombyx mori), cis-vaccenyl acetate (Drosophila).
• Dấu vết đường đi: oxo-hexanoic acid (loài kiến Formica).
• Cảnh báo: isoamyl acetate (ong mật Apis mellifera).
• Điều tiết sinh lý: peptide pheromone (chuột Mus musculus).

Phương pháp phát hiện và phân tích

Thu thập và phân tích pheromone đòi hỏi kết hợp nhiều kỹ thuật. Headspace sampling (thu khí xung quanh mẫu) và solvent extraction (trích ly dung môi) là hai phương pháp phổ biến để cô lập hợp chất từ môi trường tự nhiên. Headspace sampling ưu việt ở độ tinh khiết và khả năng thu mẫu không xâm lấn, trong khi solvent extraction có thể tách được hợp chất ít bay hơi.

Chromatography–Mass Spectrometry (GC–MS) là tiêu chuẩn vàng để phân tích thành phần và cấu trúc hóa học. GC tách hỗn hợp thành các thành phần riêng biệt, sau đó MS xác định khối lượng và mảnh vỡ đặc trưng. Phổ GC–MS cung cấp “dấu vân tay” hóa học cho mỗi pheromone.

Sinh học phân tử hiện đại cho phép ghi hình hoạt động tế bào thần kinh khi tiếp xúc pheromone. Kỹ thuật ghi hình calcium (Ca²⁺ imaging) kết hợp với kỹ thuật patch-clamp đo điện thế màng tế bào giúp theo dõi trực tiếp phản ứng của thụ thể khi nhận tín hiệu hóa học.

Phương pháp	Mục đích	Ưu điểm	Hạn chế
Headspace sampling	Thu mẫu khí	Không xâm lấn, mẫu tinh khiết	Yêu cầu thiết bị phức tạp
Solvent extraction	Trích ly hợp chất	Tách được hợp chất ít bay hơi	Cần dung môi hữu cơ
GC–MS	Phân tích cấu trúc	Độ nhạy cao, độ phân giải tốt	Phân tích tốn thời gian
Ca²⁺ imaging & patch-clamp	Theo dõi tín hiệu tế bào	Quan sát trực tiếp hoạt động thần kinh	Khó thực hiện in vivo

Ứng dụng trong nông nghiệp và y sinh

Trong nông nghiệp, pheromone được ứng dụng để kiểm soát sâu bệnh một cách sinh học. Bẫy pheromone sử dụng mồi pheromone tổng hợp để thu hút và bắt sâu trưởng thành, giảm sự phụ thuộc vào thuốc trừ sâu hóa học. Ví dụ, trong trồng dâu tằm, bombykol tổng hợp giúp theo dõi mật độ sâu đo và dự báo sâu bệnh hiệu quả.

Phương pháp mating disruption (gián đoạn giao phối) phun pheromone rào cản khắp vùng canh tác, khiến con đực không thể tìm thấy con cái để giao phối. Kỹ thuật này đã thành công ở nhiều loại cây trồng như táo, nho, và đậu tương, giúp giảm tỷ lệ sâu bệnh mà không gây ô nhiễm môi trường.

Trong y sinh, nghiên cứu pheromone mở ra hướng mới cho phương pháp chẩn đoán và điều trị rối loạn hành vi xã hội. Một số nhóm nghiên cứu đang phát triển cảm biến sinh học (biosensor) dựa trên receptor pheromone để phát hiện các dấu ấn sinh học liên quan đến stress, lo âu, hoặc rối loạn tự kỷ ở người.

• Bẫy pheromone: giám sát sâu hại Lepidoptera.
• Mating disruption: phun pheromone đồng nhất vùng canh tác.
• Biosensor pheromone: phát hiện stress và rối loạn hành vi.

Hạn chế và thách thức nghiên cứu

Sự đa dạng cấu trúc và tính ổn định hóa học kém của nhiều pheromone gây khó khăn trong việc tổng hợp và bảo quản. Một số hợp chất dễ phân hủy khi gặp ánh sáng hoặc nhiệt độ cao, dẫn đến giảm hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn.

Mô phỏng chính xác môi trường tự nhiên trong phòng thí nghiệm là thách thức lớn. Nồng độ pheromone trong tự nhiên thường rất thấp và biến động theo thời tiết, địa hình, và mật độ quần thể. Việc tái tạo các điều kiện này để đo lường phản ứng hành vi chính xác đòi hỏi thiết kế thí nghiệm tỉ mỉ và công nghệ cao.

Cảm biến sinh học nhân tạo vẫn chưa đạt độ nhạy và đặc hiệu hoàn hảo như thụ thể tự nhiên. Nhiều thử nghiệm thất bại do tín hiệu yếu, nhiễu nền cao, hoặc cross-reactivity (tương tác chéo) giữa các hợp chất hóa học tương tự.

Hướng nghiên cứu tương lai

Công nghệ nano sinh học hứa hẹn tạo ra các sensor cực nhạy để giám sát pheromone ngay tại thực địa. Các hạt nano functionalized có thể thay thế thụ thể tự nhiên, truyền tín hiệu điện tử tới hệ thống quan trắc thời gian thực.

Sử dụng công cụ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 để điều chỉnh vi sinh vật hoặc côn trùng mẫu sinh tổng hợp pheromone mới với hiệu suất cao và chi phí thấp. Ví dụ, vi khuẩn E. coli có thể được biến đổi để sản xuất pheromone nông nghiệp phục vụ mục đích kiểm soát dịch hại.

Trí tuệ nhân tạo và machine learning sẽ được áp dụng trong phân tích phổ GC–MS phức tạp, tự động nhận diện và dự đoán chức năng của pheromone chưa được xác định. Mô hình AI có thể tìm ra mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học và tính chất sinh học, đẩy nhanh quá trình khám phá các tín hiệu hóa học mới.

Tài liệu tham khảo

• Karlson, P., & Lüscher, M. (1959). “Pheromones”: a new term for a class of biologically active substances. Nature, 183, 55–56. doi:10.1038/183055a0
• Wyatt, T. D. (2014). Pheromones and Animal Behavior: Chemical Signals and Signatures. Nature Reviews Neuroscience, 15(5), 266–278. doi:10.1038/nrn3740
• Burge, K. C., & McLean, J. A. (2015). Advances in headspace sampling for insect pheromone detection. Frontiers in Cellular Neuroscience, 9:14. doi:10.3389/fncel.2015.00014
• Hendrichs, J., et al. (2015). Area-wide integrated pest management (AW-IPM): principles, practice and prospects. Annual Review of Entomology, 60, 263–281. doi:10.1146/annurev-ento-010814-021110
• Wyatt, T. D. (2003). Pheromones and Animal Behavior: Chemical Signals and Signatures. Cambridge University Press.