昆虫フェロモン

昆虫フェロモンは、昆虫種の個体間の化学的コミュニケーションに役立つ神経伝達物質です。したがって、カイロモン、つまり種外の生物に情報を伝達する神経伝達物質とは異なります。昆虫は特別な腺でフェロモンを生成し、それを環境に放出します。受容体の感覚細胞のフェロモン受容体では、非常に低濃度であっても神経刺激が生成され、最終的には行動反応につながります。これらの物質を介した昆虫の種内コミュニケーションはさまざまな方法で行われ、とりわけ、性的パートナーを見つけたり、社会的に生活する昆虫のコロニーの調和を維持したり、縄張りをマーキングしたり、巣の場所や食料源を見つけたりするのに役立ちます。

1959年、ドイツの生化学者でノーベル賞受賞者のアドルフ・ブテナントは、家蚕（Bombyx mori ）の性フェロモンである不飽和 脂肪アルコールボンビコールを、最初の昆虫フェロモンとして特定し、合成しました。メスの蝶の性フェロモンは、主にモノオレフィンまたはビスオレフィン脂肪酸またはそのエステル、脂肪アルコール、そのエステル、または対応するアルデヒドです。オスの蝶は、ピロリジジンアルカロイド、テルペン、ベンズアルデヒドなどの芳香族化合物など、さまざまな化学物質を性フェロモンとして使用します。

昆虫の化学的コミュニケーションに関する研究により、昆虫が食料源や産卵場所を見つける方法についての理解が深まっています。たとえば、養蜂家は、ゲラニオールやシトラールなどのテルペンを含む人工的に生成されたナサノフフェロモンを使用して、使用されていない巣箱にミツバチを引き寄せます。農林業では、産卵を防ぐための昆虫トラップを使用した害虫駆除や交尾妨害の実施に昆虫フェロモンを商業的に使用しています。昆虫フェロモンは、このようにして、マラリア、デング熱、アフリカ睡眠病などの昆虫媒介感染症の制御にも貢献できると期待されています。

アドルフ・ブテナントとピーター・カールソンは1959年に、種内コミュニケーションに役立つ物質としてフェロモンという用語を提唱した。^[2]フェロモンという用語の定義は、同年にカールソンとスイスの動物学者マーティン・リュッシャーによって与えられた。これによると、フェロモンは

「ある個体が体外に放出した物質が、同じ種の別の個体に特定の反応を引き起こす。」 – ピーター・カールソン、マーティン・リュッシャー、1959年。^[3]

フェロモンという言葉は、古代ギリシャ語の品詞φέρειν phérein、überbringen、melden、およびὁρμᾶν hormān、antreiben、erregenから構成されています。^{[3] [4]}カールソンとリュッシャーによると、目標は、明確な定義に基づいた物質のクラスに対して、国際的に理解可能な科学用語を作り出すことでした。それは多くの言語で話せる短い単語になるはずでした。末尾の mone は、ホルモン、カイロモン、およびアロモンという単語に見られるように接尾辞として機能し、それらの関係を強調しています。^[5]フェロモンという用語は、アルブレヒト・ベーテが1932年にすでに同じ定義で提案していたエクトホルモンまたはホモイオホルモンという用語に取って代わりました。^[6]ベーテの用語は受け入れられなかった。ブテンアンドによれば、エクトとホルモンという用語は相互に排他的であるからだ。フェロモンの作用機序は、他の個体によって循環器系に吸収されるホルモンの作用機序と一致しないため、誤解を招くと考えられた。

情報化学物質、つまり生物間のコミュニケーションに役立つ神経伝達物質のグループにおける種内フェロモンの分類は、次の図に示されている：[ 7 ^]

カールソンはさらに、受容様式によって、フェロモンを嗅覚と経口作用型昆虫フェロモンに分類した。 ^[8] 1963年、前年にアリの痕跡フェロモンを発見したエドワード・O・ウィルソンとウィリアム・H・ボッサートは、リリーサーフェロモンとプライマーフェロモンの概念を導入した。 ^{[9] [10]}通常嗅覚で知覚されるリリーサーフェロモンは、即座に観察可能な行動反応を引き起こすのに対し、多くの場合経口で摂取されるプライマーフェロモンは、受容者に生理学的変化を引き起こす。例えば、プライマーフェロモンは働きバチの卵巣の形成を抑制します。

多くの場合、フェロモンは行動を誘発する機能によって定義されます。よく知られている性誘引物質に加えて、フェロモンは集合フェロモン、分散フェロモン、警報フェロモン、追跡フェロモン、マーカーフェロモン、子孫認識フェロモン、産卵フェロモン、募集フェロモン、または階級認識剤として機能します。

ヴィンセント・デティエは、昆虫フェロモンを、その一般的な行動誘発効果に応じて6つのカテゴリーに分類しました。^[11]これらには、通常、近距離でのみ感知され、動いている昆虫を停止させる囚人フェロモンと、昆虫の速度を上げたり方向転換の回数を減らしたりする運動刺激剤が含まれます。ロックストッフは、匂い源に向かう方向性のある動きを誘発する誘引物質であり、忌避物質はそこから逃げる動きを誘発します。摂食刺激物質と産卵刺激物質は、それぞれ摂食または産卵を誘発します。一方、抑止物質は摂食または産卵を抑制します。

機能的に定義された昆虫フェロモンには、多くの場合、正確に定義された割合で異なる成分の混合物が含まれています。これらのいわゆるフェロモンカクテルには、近方向と遠方向の方向付け機能を持つ異なるカテゴリの物質が含まれていることがよくあります。たとえば、チャバネゴキブリの集合 フェロモンカクテルには、誘引物質として作用する物質と捕獲物質として作用する物質の両方が含まれています。^[12]

昆虫フェロモンは、生物学的に生成される場所にちなんで名付けられている部分もある。バナナバタフライなどの様々な蛾の種の雄は、腹部にフェロモンを放出するいわゆる雄子器官を持っている。これらの昆虫フェロモンは、雄子器官フェロモンと呼ばれている。[ ^13]セイヨウミツバチの女王蜂は、下顎腺で女王蜂フェロモンを生成する。そのため、英語では、女王下顎腺フェロモンと呼ばれることが多い。^[14]

1609年、イギリスの養蜂家 チャールズ・バトラーは、ミツバチの針から液体が放出されることを観察しました。この液体は他のミツバチを引き寄せ、一斉に刺し始めました。^[15]バトラーは、このようにしてミツバチの警戒フェロモンの効果を初めて実証しました。このフェロモンは1960年代に酢酸イソアミルであると特定されました。 ^[16]バトラーの観察は、1960年代に酢酸イソアミルであると特定されたミツバチの警戒フェロモンの効果を示した最初のものでした。

1690 年初頭、ジョン・レイ卿は、オオシモフリエダシャクが匂いによって同種の雄を引き寄せるのではないかと考えていました。

「それは棒状の幾何学模様の幼虫から出てきた。それは雌で、私のケージに閉じ込められた蛹から出てきた。それが保管されていた部屋かクローゼットの窓は開いていて、飛び回っていた2匹の雄の蛾を、幸運にも夜中に部屋に入ってきた妻が捕まえた。私の考えでは、雌の匂いに引き寄せられて外から入ってきたようだ。」

「それは、棒状の白樺の蛾の幼虫から成長しました。それは雌で、私のケージの中に閉じ込められていた蛹から出てきました。彼女が飼われていた部屋または部屋の窓は開いていて、飛び回っていた2匹の雄の蛾を、その夜幸運にも部屋にいた妻が捕まえました。私の考えでは、雌の匂いに引き寄せられて、外から入ってきたようです。」

– ジョン・レイ^[17]

フランスの昆虫学者 ジャン＝アンリ・ファーブルも19世紀半ばにサトゥルニアとオークエガーの実験について報告しており、金網の檻に閉じ込められたメスが特定の時間に数日のうちに何百ものオスを引き寄せたとしている^{[18] 。タグを付けた}家蚕の蛾を使った実験では、4キロメートル離れた場所から来たオスの40％と、11キロメートル離れた場所から来たオスの26％が、依然として閉じ込められたメスのもとへたどり着いた^[18] 。蛾の形態も19世紀半ばに報告されている。

多くの昆虫種において、研究者たちは交尾のメカニズムについて長い間頭を悩ませてきました。視覚や聴覚刺激ではファーブルの実験を説明できず、蛾が交尾の準備ができているメスを非常に確実に見つける方法も説明できませんでした。赤外線やその他の放射線による誘引の理論は確認されませんでした。 ^[18]真社会性の組織も同様に長い間説明できないままでした。作家で蜂の研究者であるモーリス・メーテルリンクは、巣の精霊、（チーム）巣の精霊について推測しましたが、その本質を詳細に特定することはできませんでした。 ^[19]赤外線や放射線による誘引の理論も長い間説明できないままでした。

20世紀初頭、アーネスト・スターリングはホルモンを最初の生物学的神経伝達物質として発見した。 ^[20] 1932年、当時フランクフルト・ゲーテ大学動物生理学研究所所長であった神経生理学者 アルブレヒト・ベーテは、拡張されたホルモン概念に関する論文を発表し、その中でエンドホルモンとエクトホルモンを区別した。^[6]これによれば、エンドホルモンは産生する生物自体で作用し、古典的なホルモンの定義に対応する。対照的に、生物はエクトホルモンを体外に放出し、それを他の個体に移す。例として、ベーテは、胎児から母親に放出され、乳腺の成長とそれに続く乳の分泌を引き起こす授乳ホルモンの効果を挙げた。^[6]彼はまた、昆虫間の化学的コミュニケーションについてもこの概念を提唱した。

「例えば、ミツバチの場合、働き蜂（つまり母親ではない）は、特別な餌と唾液腺の分泌物の移行によって、卵または幼虫から性的に成熟した女王蜂を育てることができる。唾液腺分泌物のエクトホルモンがこの再分化に主要な役割を果たしていることは、ほとんど疑いようがない（証明されていないが）。」 – アルブレヒト・ベーテ[6]

ベーテはさらに、エクトホルモンを、今日のフェロモンの定義によれば、同じ種の個体に作用するホモホルモンと、異なる種の個体に作用するアロホルモンに分類した。彼は、アレロケミカルの前身となる用語を作った。^[6]

アドルフ・ブテナントも昆虫間のコミュニケーションは神経伝達物質に基づいているのではないかと考え、1940年代にカイコガ（Bombyx mori）の性的誘引物質を特定するプロジェクトを開始した。カイコガはもともと中国原産の蝶で、養蚕に使われるカイコガ科に属し、その繁殖と飼育はよく知られていた。約20年の研究の末、彼はついに50万匹以上の昆虫から物質を抽出し精製することに成功し、後にブテナントはそれをボンビコールと名付けた。

元素分析により、ブテナントは物質の化学式がC ₁₆ H ₃₀ Oであると判定した。赤外線分光法による研究では、共役二重結合の存在が示された。接触水素化、融点測定、過マンガン酸カリウムによる酸化分解など、当時一般的だった方法を使用して、ブテナントは、探していた物質が不飽和 脂肪アルコール、(10 E ,12 Z )-10,12-ヘキサデカジエン-1-オールであることを示した。^[21]

その後ブテナントは、ベルノール酸[(12 R ,13 S )-エポキシ-9-シス-オクタデセン酸]から、ジオール形成、アルデヒドへの分解、二重結合異性化、およびウィッティヒ反応を経るいくつかの段階を経てボンビコールを合成した。彼は4つの可能性のある立体異性体を合成し、それらの生物学的活性を試験した。^[22]抽出物と同じ活性を示したのは1つの異性体だけだった。このようにしてブテナントは、昆虫間のコミュニケーションが物質ごとに行われるという証拠を示した。

「しかし、抽出と凝縮の実験により、メスの蝶が最後の腹部節の嗅覚器官から分泌し、オスが触角で感知する物質的原理が存在するはずであることが説得力を持って証明されました。」 – アドルフ・ブテナント^[23]

1950年代の終わり頃、エドワード・O・ウィルソンは、アリの警戒行動と穴掘り行動を引き起こす物質を化学物質放出物質と定義しました。^[24] 1961年、英国の生化学者 ロバート・ケネス・キャロウは、(E)-9-オキソ-デカ-2-エン酸、略して9-ODAという化合物で、女王蜂フェロモンとしても知られる別のフェロモンを特定しました。^[25]このフェロモンの効果は明ら​​かに警戒フェロモンとは性質が異なり、受信者の 生理機能に長期的な影響を及ぼしました。

1963年、前年にアリの痕跡フェロモンを発見していたウィルソンとウィリアム・H・ボッサートは、例えば性誘引物質の行動制御効果と、受信者の内分泌系に干渉するフェロモンを区別するために、リリーサーフェロモンとプライマーフェロモンという用語を導入した。^{[9] [10]}

長年にわたる抽出と分析化学の大幅な進歩の結果、化学者と生物学者は数多くの他のフェロモンを特定しました。カイコのフェロモンカクテルの2番目の成分であるボンビカル[(10 Z ,12 E )-ヘキサデカジエナール]の検出には、1978年には460の腺から抽出した抽出物から15ナノグラムのアルデヒドを単離するだけで十分でした。^[26]

フェロモンの機能と受容、およびそれらの化学的同定を研究することに加えて、科学者はフェロモン生成の生化学を広範囲に調査した。 1984年、アショク・ライナとジェローム・クランは、オオカバマダラ の雌の性誘引物質の生成が、雌の蛾の脳内のフェロモン生合成活性化神経ペプチド（PBAN）と呼ばれるホルモン物質によって制御されていることを発見した。^[27]その他の現代の研究は、嗅覚と味覚による昆虫フェロモン受容、遺伝的要因、および雄における雌の性フェロモン生成と受容の共進化などの進化生物学の問題の研究に焦点を当てている。^[28]

ハマダラカなどの病原体媒介動物との戦いも研究の焦点となっている。世界保健機関の推計によると、2012年のマラリア感染者数は約2億700万人で、死者は62万7000人だった。^[29] イエカ属の蚊はフィラリア症や西ナイルウイルスの原因物質を媒介する。産卵フェロモンを装備したトラップは、こうした蚊の個体群を封じ込める方法の1つである。これを最適化するため、産卵場所の検出に重要な役割を果たすメスの触角にある匂い結合タンパク質が集中的に研究されている。^[30]

昆虫のフェロモンは、飽和炭化水素、不飽和炭化水素、脂肪アルコール、エステル、アルデヒドなどの脂肪酸の二次生成物であることが多いですが、イソプレノイドやその他の化合物もあります。フェロモンは純粋な物質ではなく、さまざまな成分からなるいわゆるフェロモン カクテルであることが多いです。多くの場合、化合物の特定のエナンチオマーの 1 つだけが行動反応を引き起こし、もう 1 つのエナンチオマーは反応を引き起こさないか、異なる反応を引き起こします。

時には、フェロモンの生合成は、特定のアルカロイドの形の生化学的前駆物質が食用植物から摂取された場合にのみ起こる。この場合、性フェロモンは同時に食物源の存在を知らせる。^[31]

ブテンアンドトの発見後、農作物保護における潜在的な商業的応用のため、フェロモン研究の強度は大幅に増加し、高感度分析法の開発^[32]と有機化学における化学選択的、位置選択的、立体選択的合成の広範な応用につながりました。

昆虫フェロモンは、昆虫の体のさまざまな部位にある、主に変性した表皮細胞からなるさまざまな外分泌腺によって産生されます。たとえば、メスのカイコガの腹部腺は、性フェロモンのボンビコールに加えて、アルコールの ( E,E )-異性体と類似の ( E,Z )-アルデヒド ボンビカルの痕跡を放出します。 ^{[33] [34]}溝付き細孔プレートなど、腺付近の適切な表面形状は、漏出したフェロモンの効率的な蒸発を促進する可能性があります。^[35]ミツバチは15の腺を持ち、それらを使用してさまざまな物質を産生および放出することで、フェロモンに基づく複雑なコミュニケーションシステムを維持しています。 ^{[36] [37]}様々な蝶の種の雄は腹部にいわゆる雄性器官を持っており、これを使ってフェロモンを散布することができます。一方、他の蛾は前翅または腹部の端にある臭毛や臭毛を通してフェロモンを放出します。臭毛と臭毛は表面積を増やし、昆虫フェロモンの蒸発を促進する役割を果たします。^[35]

昆虫は、フェロモン生合成のための完全に独自の酵素群を進化させるのではなく、通常の代謝産物を、高い位置選択性、化学選択性、( E/Z )選択性、ジアステレオ選択性、またはエナンチオ選択性を持ち、明確に定義された比率でフェロモンに改変することが多い。 ^{[38]昆虫フェロモンの生合成は、}脂肪酸合成のスキームに従って、最初のアセチルにマロニルCoAを連続的に付加するか、または食事から前駆体を摂取することによって、新たに起こる。多くの蝶は、単純な脂肪酸の誘導体の特定の混合物を生産する生合成の可能性を利用している。酵素Δ-11-デサチュラーゼの進化と鎖短縮反応の組み合わせにより、さまざまな不飽和酢酸、アルデヒド、アルコールをさまざまな組み合わせで生産することができる。^[39]

炭素鎖の脱水素化と酸官能基のアルコールへの還元は、必要に応じて特殊な酵素システムによって起こる。その後、アルデヒドへの酸化、または酢酸へのアセチル化が行われる。^[40]カイコでは、フェロモンによって神経ホルモン、いわゆるフェロモン生合成活性化神経ペプチド（PBAN）を介して生合成が日中に活性化される。 [ ^40]フェロモン生合成活性化神経ペプチド（PBAN）は神経ホルモンである。

フェロモン生成のホルモン機構は種によって大きく異なります。^[41] 例えば、幼若ホルモンは、オオミズオオチョウMythimna unipunctaのフェロモン生成を制御します。これらは主に脳の後ろにある対になったアラタ体で生成され、血リンパに放出されます。そこで特定の輸送タンパク質と結合します。アラタ体を取り除くと、メスはフェロモンを生成しません。しかし、幼若ホルモンは、PBAN の概日周期放出に間接的に干渉します。^[42]

マダラチョウ科のオスの蝶は、ミルクウィードからアルカロイドを摂取した幼虫を足の小さな爪で傷つけ、滲出液を摂取することがあります。この行動は、クレプトファーマコファジーと呼ばれます。蛾は摂取したアルカロイドを捕食者からの防御や性フェロモンの生成に使用します。^[43]

火のような色をした雄の甲虫Neopyrochroa flabellata種と他の様々な甲虫種は、テルペノイドの カンタリジンをそれぞれ性フェロモンと媚薬フェロモンとして利用している。このイソプレノイドはNeopyrochroa flabellataによって食物とともに摂取され、交尾中に雌に移され、その後幼虫に移される。^[44]雌は交尾前に雄の頭部にある腺の内容物を検査する。カンタリジンは摂食毒素として作用し、卵を捕食者にとって不味いものにする。そのため雌はカンタリジン含有量の高い雄を好む。[47]

Utetheisa ornatrixやTirumala limniaceなどの蛾は、幼虫の頃にクロタラリア、ヘリオトロピウム、アキレア・アゲラタムなどの食用植物からピロリジジンアルカロイドを摂取し、成虫の雄がこれを酸化してヒドロキシダナイダールなどのフェロモンに変換する。ヒメコガネムシの場合と同様に、クモ、アリ、網翅目昆虫などの捕食者に対して強力な食毒となるアルカロイドが雌や卵に移行する。^[45]オオカバマダラの成虫は、フェロモンの魅力を高めるために植物の二次代謝物を摂取する。 ^{[46]時には、特定の}アルカロイドの形で生化学的前駆体が食用植物から摂取された場合にのみ、フェロモンの生合成が起こる。この場合、性フェロモンは同時に食物源の存在を知らせる。^[47]

植物からフェロモン前駆物質を摂取することは、特定のラン科バチやクジャクバエにも知られている。オスのバチはランからテルペノイドの混合物を集め、それを集合フェロモンとして利用して交尾を行う。植物成分がオスの蝶のフェロモン腺の発達を制御することもある。^[48]

カール・ツィーグラーとギュンター・オットー・シェンクは、1941年にカンタリジンの合成に成功しました。 ^{[49] [50]}フェロモンの調製には、高度な化学選択的、位置選択的、立体選択的な合成が必要です。1970年代には、SAMP法を使用した不斉合成により、エナンチオマー的に純粋なさまざまなフェロモンの製造に成功しました。 ^[51]さらに、化学者は、不斉エポキシ化、不斉ジヒドロキシル化、生体触媒、オレフィンメタセシス、その他多くの立体選択的反応を使用してフェロモンを合成しました。^[52]ウィッティヒ反応は、(Z)-オレフィン二重結合を持つフェロモンの化学合成に適しています。^[53]

遺伝子組み換えタバコ植物も性フェロモンを生産することができる。抽出によって得られた脂肪アルコールはその後アセチル化され、それぞれの標的性フェロモンが得られる。この半合成生産ルートでは、比較的大量かつ高純度の昆虫フェロモンが生産される。^[54]

フェロモンによる生物間の化学的なコミュニケーションは、技術的なデータ伝送と同じ原理に従います。たとえば雌の昆虫の腺などの送信機は、化学物質の形で信号を発します。分子の化学構造とそれらの量比の両方が情報内容を決定し、種のコミュニケーションのモデルとして機能します。蒸気圧などの物質の物理的特性は、短距離または長距離の情報送信機としての分子の機能を決定します。^[55]

昆虫フェロモンは、直接接触によって、または水や空気などの媒体を介して伝染する。受信機、例えば雄昆虫の触角にあるフェロモン受容体から物質が受け取られ、行動反応を引き起こす。 アンテナという用語は、最初は昆虫の触角を指すために使用され、その後工学で使用された。^{[56]昆虫フェロモンは種特異的な効果があり、}生物学的特異性においてのみ望ましい行動反応を引き起こし、他の種の個体では引き起こさないことを意味する。 例えば、蝶の性フェロモンとして作用する化合物は種が異なっても同じである可能性があるが、フェロモンカクテルの組成はすべての種で異なる。^[55]さらに、フェロモンカクテルには、外来種の雄が誘引する雌に近づく速度を大幅に低下させるなど、他の種の行動抑制剤として作用する物質が含まれていることが多い。^[56]フェロモンカクテルは、他の種の雄の行動を抑制する非常に効果的な手段である。

フェロモンは通常液体として生成され、直接接触によって伝染するか、液体または蒸気として環境に放出されます。それらは重い揮発性または軽い揮発性のいずれかです。拡散率はフェロモンの機能に大きく影響します。^[57]警報フェロモンは、拡散によって急速に広がるように、多くの場合、非常に揮発性です。したがって、それらは比較的高い蒸気圧と低い複雑性の短鎖物質であることが多いです。^{[40]性フェロモンのように種特異的な}コーディング効果に対する高い要件はありません。性フェロモンは、ほとんどの警報フェロモンよりも複雑性が高いですが、永続的に領域を示すマーカーフェロモンよりもモル質量が低くなります。^[58]

蝶などの飛翔昆虫の場合、分子としてのフェロモンは大きすぎてはならず、大きすぎると蒸気圧と揮発性が低くなりすぎる。そのため、蝶の種の性フェロモンとして確認されている200種類以上は、10～18個の炭素原子からなる鎖を持つモノオレフィンおよびビスオレフィン脂肪アルデヒド、脂肪アルコール、およびそれらの酢酸塩である。^[40]

機能に応じて、放出と受容のシナリオが異なります。たとえば、アリは、通常は風のない蟻塚の環境で、断続的または継続的に警戒フェロモンを放出します。痕跡フェロモンは、移動するアリから放出されます。カイコガの性フェロモンは、空気の流れの中で個別の香りの糸として放出されます。^[57]

オスのオオカバマダラは揮発性フェロモンを放出せず、フェロモンを含んだナノ粒子（フェロモン転送粒子）を放出し、メスに捕獲剤や催淫フェロモンを転送する。フェロモン転送粒子はオスをブラシの毛に誘導し、求愛飛行中に散布する。ナノ粒子はフェロモン受容体を備えたメスの触角に付着し、ゆっくりとフェロモンを放出してメスに長時間刺激を与える。^[59]

ヒガシガ科 のメスは性フェロモンの液滴のみからなるエアロゾルを放出する。この過程で放出されるフェロモンの量は、他の既知のメスの蛾よりもはるかに多い。性フェロモンが無駄に見えるのは、北極の春が短いため成虫が生殖相手を見つける時間が短いためである。^[60]

フェロモンの受容者は通常、他の多くの化学物質が存在する環境でフェロモンを知覚します。特定の知覚を確実にするためには、フェロモン化学物質は自然界に複数回出現しないほど複雑であるか、または複数の個々の成分の正しい比率が刺激を引き起こす必要があります。ただし、例外的な場合にのみ単一の物質がメッセージを伝達することが示されています。多くの場合、個々のフェロモンの化学構造に加えて、フェロモンカクテルの情報内容を決定する非常に正確な比率で物質の混合物が存在する必要があります。^[40]

フェロモンの化学構造は、そのシグナル伝達機能とシグナル伝達環境に直接関係している。空気中に放出されるフェロモンは、5～20個の炭素原子からなる炭素鎖と、約80～300 g-mol-1のモル質量を持つことが多い。炭素原子が5個未満の炭素鎖では、可能な異性体の数が少なく、標的種特異的なコーディングが困難である。^[58]炭素鎖が長くなると、可能な異性体の数は急速に増加する。

ワモンゴキブリの性フェロモンであるペリプラノンBは、 ^10-5 ナノグラムという極めて低濃度でも雄が反応する複雑な単一物質の例である。^{[61] [62]}

雌の昆虫が放出した性フェロモンカクテルは風下に向かって拡散する。受容者である雄では、分子が触角に当たり、嗅毛または感覚器の嗅細胞によってフェロモンが受容される。触角は気流に含まれるフェロモン分子の約30％を吸着する。^[56]残りの分子は外骨格に当たり、酵素によって分解される。

フェロモン分子はまず嗅毛のキューティクルに到達し、孔を通って孔円錐に拡散し、そこから細管に浸透する。そこから分子はさらに拡散して樹状膜に達する。^{[40]この膜には受容体があり、フェロモンを受け取ると}イオンチャネルが開いて電気抵抗が変化し、電気抵抗が生じて知覚が生じる。 [ ^{40]フェロモン分子は1つでも神経インパルスを引き起こすことができる。[59] しかし、特定のフェロモンカクテルを認識するには、さまざまな}特異性の異なる細胞タイプを一定レベル興奮させる必要がある。^[56]中枢神経系のさまざまな受容体から受け取った特徴的な興奮がそこで興奮パターンに変調されると考えられている。受け取ったフェロモン分子の量的比率に依存するこの興奮パターンが生来の行動パターンのコード化と一致する場合、フェロモン源への向かい風接近などの対応する行動反応が引き起こされる。^[55]

フェロモンはその効果によってプライマーフェロモンとリリーサーフェロモンの2つのクラスに分けられます。特定の条件下では、特定のフェロモンはリリーサーフェロモンとプライマーフェロモンの両方の働きをします。^[63]

放出フェロモンは、短時間で即座に行動を制御する効果があります。最初に発見されたフェロモンであるボンビコールはその一例です。放出フェロモンには、よく知られている性フェロモンに加えて、集合フェロモン、分散フェロモン、警報フェロモン、追跡フェロモン、マーキングフェロモンなどが含まれます。^[63]

集合フェロモンは雌雄両性で産生され、同種の個体を性別に関係なく誘引するために使用される。これらは、例えば、キクイムシやその他の甲虫類、二足動物、半翅目、バッタなどで知られている。昆虫は、捕食者からの防御、配偶者選択、および集団攻撃に対する宿主植物の抵抗を克服するために集合フェロモンを使用する。ある場所に集まる個体のグループは、性別に関係なく、集合体と呼ばれる。^[64]集合フェロモンは、性誘引物質に加えて、選択的害虫駆除のためのフェロモントラップの開発において重要な役割を果たしている。^[65]

電気触角図法を用いた研究では、集合フェロモンは性別に関係なく比較的高い受容体電位を誘発するのに対し、性フェロモンは一方の性別にのみ高い受容体電位を誘発することが示された。したがって、集合フェロモンは性フェロモンの進化的前駆物質である可能性がある。^[35]

性フェロモンは、メスの動物が交尾の準備ができていることを知らせる。オスの動物もフェロモンを発し、性別や遺伝子型に関する情報が含まれている。多くの昆虫が性フェロモンを放出し、蝶のいくつかの種は10キロメートル離れた場所からでもフェロモンを感知する。オスのカイコガの感覚細胞反応は、空気1立方センチメートルあたり約1000分子の濃度で始まる。^[56]メスの匂い信号は、ある濃度閾値を超えるとすぐに、まずオスのカイコガの方向性のある向かい風飛行を引き起こす。^{[56]一方、}コドリンガなどの他の種では、オスは誘引分子の立体化学的純度をテストする。フェロモンカクテルに別の立体異性体が少し混ざると、発生源への接近が止まる。^[56]この場合、もう一方の立体異性体は忌避剤として作用する。^[40]主成分に加えて、いくつかの種はいわゆる短距離成分を少量放出し、それが行動反応に影響を与えます。^[56]主成分に加えて、いくつかの種はいわゆる短距離成分を少量放出します。

4羽のミツバチは（ Z）-11-エイコセン-1-オールの香りを放ちます。ヨーロッパオオカミはこの香りに導かれてミツバチを捕食します。オスのオオカミはこの成分、つまりメスが持つ蜂の香りに対する感覚的嗜好を、性フェロモンカクテルの一部として利用し、ミツバチを引き寄せます。^[66]

催淫性フェロモンは交尾の準備を刺激する。例えば、スピロアセタールオレアンはオリーブミバエ（Bactrocera oleae）の催淫性フェロモンである。（R）エナンチオマーのみが雄に有効であり、（S）エナンチオマーは雄には無効である。雌はラセミ体を生成し、（ R）-オレアンと（S ）-オレアンに反応し、またそれによって自分自身を刺激する。^[67]

いわゆる抗媚薬は、全く逆の効果があります。トコジラミの幼虫 は、アルデヒド（E）-2-ヘキセナール、（E）-2-オクテナール、4-オキソ-（E）-2-ヘキセナールの特定の混合比を持つフェロモンで、オスのトコジラミの交尾の試みから身を守ります。オスは性的に成熟したメスのトコジラミの腹部に直接穴を開け、そこに精子を注入します（外傷性受精）。しかし、交尾した幼虫にとって、そのような傷害は致命的になり得ます。^[68]

昆虫の中には、攻撃を受けたときに警戒フェロモンを発する種がある。これらは逃走または攻撃性の増加を引き起こす。例えば、ミツバチでは 2 種類の警戒フェロモン混合物が知られている。1 つは刺針の近くにあるコシェフニコフ腺から放出され、ブチルアセテート、1-ヘキサノール、1-ブタノール、1-オクタノール、ヘキシルアセテート、オクチルアセテート、2-ノナノールのほか、バトラーがその効果についてすでに説明しているイソアミルアセテートなど 40 種類以上の化合物が含まれている。これらの成分は分子量が低く、揮発性があり、すべてのフェロモンの中で最も非特異的である。警戒フェロモンは、ミツバチが他の動物を刺したときに放出され、他のミツバチを引き寄せて攻撃するように仕向ける。煙は警戒フェロモンの効果を抑制するため、養蜂家はこれを利用している。^[69]

ミツバチのもう一つの警戒フェロモンは、主に2-ヘプタノンから構成されており、これも下顎腺から放出される揮発性物質である。^{[70]この成分は}捕食性昆虫に対する忌避効果を持つ。トコジラミの警戒フェロモンカクテルには不飽和のオクテンアルデヒドとオクテンアルデヒドが含まれており、トコジラミが生息する部屋では特徴的な甘い匂いとして感じられる。^{[71] [72]}

チェリーミバエなどの特定の昆虫は、同種の他のメスがその産卵場所を避け、子孫間の食物競争を避けるために他の場所に卵を産むような方法で産卵場所をマーキングする。^[73]アリのコロニーなどの縄張り社会性昆虫も、フェロモンを使って自分たちの縄張りをマーキングする。^[74]

マーキングフェロモンには分散フェロモンがあり、例えばキクイムシはこれを使って樹木の過剰繁殖を防いでいます。^[75]チャバネゴキブリの雌と幼虫は、唾液を介して直接接触することで分散フェロモンを伝達します。幼虫の段階では、これは成虫のゴキブリを阻止し、共食いから保護する役割を果たします。成虫になると、生息地の移動を防止します。^[76]

痕跡フェロモンは主にコロニーで生活する昆虫で知られており、高分子量の炭化水素などの低揮発性物質で進路をマークします。特にアリは、食料源から巣までの進路をこのようにマークすることがよくあります。^[77]食料源が存在する限り、道は更新されます。食料源が枯渇すると、アリは忌避フェロモンを道のフェロモンの上に吹き付けます。^[78] 1921年、米国の博物学者チャールズ・ウィリアム・ビーブは、痕跡フェロモンが軍隊アリで引き起こす可能性があるアントミル現象について報告しました。コロニーの主な道から離れると、盲目のアリは前を走るアリのフェロモンの道をたどります。これらのアリは、完全に疲れ果てるか死ぬまで、コロニーに戻る道を見つけることなく、大きな円を描いて走ります。^[79]

勧誘フェロモンは社会性昆虫の化学的コミュニケーションの要素として広く使用されており、ハチ、シロアリ、アリで実証されています。昆虫はこれらのフェロモンを使用して、コロニーの他のメンバーに餌源を探すように刺激します。^[63] マルハナバチは、主に勧誘フェロモンを散布するために、尻振りダンスに似たダンスを行います。^[80]

膜翅目は、多くのハチ、特にミツバチ亜科、アリ、およびスズメバチ亜科の一部の種を含む、真社会性昆虫の最大のグループを含みます。特徴として、生殖する女王と、専門の働きバチと兵隊を含むカーストの存在がよく挙げられます。シロアリは真社会性昆虫の2番目の主要グループを形成します。コロニーは明確なカーストに分かれており、女王と王が生殖個体、働きバチ、および兵隊としてコロニーを防衛します。^{[81]プライマーフェロモンは、膜翅目によって形成される膜翅目}の国家とシロアリのコロニーの構成に大きな影響を与えます。これらのフェロモンは、受容体のホルモン系に影響を及ぼし、シグナル伝達カスケードを介して代謝を妨げたり、 DNAに結合できるタンパク質を活性化したりすることがよくあります。リリーサーフェロモンとは対照的に、プライマーフェロモンはあまり研究されていません。長い間、プライマーフェロモンは 9-ODA のみしか知られていませんでした。

プライマーフェロモンのよく知られた例は、女王蜂のフェロモンです。^[82]これらのフェロモンは、働き蜂の社会行動、巣の維持、群れの形成、卵巣の形成を制御します。成分はカルボン酸と芳香族化合物です。例えば、( E )-9-オキソ-デカ-2-エン酸(9-ODA)は、女王蜂の繁殖を抑制し、働き蜂の卵巣の発達を阻害します。また、婚姻飛行中の雄蜂にとって強力な性フェロモンでもあります。^[83]

子孫認識フェロモンは幼虫や蛹から放出され、世話すべき子孫がいる間は働き蜂が巣を離れないようにします。さらに、働き蜂の卵巣の形成を抑制します。フェロモンは、グリセリル1,2-ジオレアート-3-パルミチン酸を含む10種類の脂肪酸エステルの混合物で構成されています。 ^{[84]働き蜂の蛹には2～5マイクログラム、雄蜂の蛹には約10マイクログラム、女王蜂の蛹には30}マイクログラムのフェロモンが 含まれています。

年老いた4歳になる働き蜂はオレイン酸エチルエステルを放出し、これが育児蜂の発育を阻害し、子育て蜂がより長く幼虫の世話をするようにさせる。^[85]オレイン酸エステルはプライマーフェロモンとして働き、幼虫の世話をする蜂と餌を作る蜂の比率を安定させる。採餌蜂は微量のエタノールを混ぜた花の蜜からこれを生成し、育児蜂に与える。これにより育児蜂の発育が遅れ、やがて年老いた採餌蜂の数は減少し、それとともに育児蜂のオレイン酸エチルへの曝露も減少する。

Reticulitermes flavipes は、γ-カジネンやγ-カジネナールなどのテルペンをカースト刺激またはカースト阻害プライマーフェロモンとして利用します。これらは、幼若ホルモンがカーストシステムにおける全能性労働者の地位を決定するのに役立ちます。 ^[86]アリでは、雌の幼虫はしばらくの間、両能性を持ち、したがって女王または労働者として成長する可能性があります。幼虫の成長のある時点で、摂食の継続が幼虫の運命を決定します。幼若ホルモンの力価が一定の閾値を超えると、雌性型が成長し、そうでない場合は労働者が成長します。幼虫の摂食の制御は、女王アリのプライマーフェロモンによって制御されます。^[87]

19世紀、マサチューセッツ州の昆虫学者エティエンヌ・レオポルド・トゥルーヴロから逃げ出したマイマイガは、20世紀半ばまでに米国全土に広がり、今日最も恐れられている害虫の一つとなった。1898年には早くも、エドワード・フォーブッシュとチャールズ・ファーナルドが、誘引剤のメスを仕掛けた罠にオスを誘い込むことで、マイマイガの個体数を制御しようという試みを行った。^[88]米国農務省は1930年代にこの試みを続け、メスの腹部のトゲの抽出物を使ってオスの蛾を誘引した。^[89]米国農務省がこの手法を初めて使用した。害虫駆除における昆虫フェロモンの応用は、特に最初の合成以来、個体群動態を制御するための環境に優しい方法の開発を目的として、集中的に研究されてきた。^[90]

害虫駆除では、昆虫を駆除するために誘引トラップでフェロモンを使用するのが一般的です。これには、昆虫を誘引して殺虫剤で殺すか、物理的に捕獲するか、またはモニタリングすることが含まれます。キクイムシは、集合フェロモンで誘引されて捕獲されます。誘引物質は通常、トウヒ材に穴を開けるときに放出され、その木にコロニーを形成できることを知らせます。キクイムシトラップは、キクイムシを駆除するための重要なツールです。^[91]しかし、誘引トラップの使用は、フェロモンがカイロモンとして作用し、捕食性昆虫を引き付ける可能性があるという問題を引き起こします。この場合、フェロモントラップはキクイムシの天敵の個体数を減らすため、逆効果になります。^[92]ウィンドウトラップなどの誘引トラップによるモニタリングは、検出された活動に応じて殺虫剤を使用して害虫をより具体的に駆除するために、害虫を定量的に検出するために使用されます。さらに、それらは新種の識別にも使用されます。^[93]

トラップ甲虫は誘引トラップと同じ原理で機能します。最初に侵入したキクイムシは、集合フェロモンによって同種のキクイムシをさらに誘引します。トラップ甲虫として適しているのは、フェロモンディスペンサーを装備して誘引効果を高めることができるウインドスローです。このように準備された木は、近づいてくるキクイムシを木からそらし、制御可能な幹に縛り付けます。トラップ木を使用するには、木を定期的に検査する必要があります。幼虫の巣穴が現れたら、木の樹皮を剥ぎ、幼虫と蛹を乾燥させます。必要に応じて、侵入した木に殺虫剤を塗布するか、次世代の逃亡を防ぐために焼却します。^[94]

産卵を阻止するマーキングフェロモンは昆虫界で広く利用されている。様々な実験により、これらのフェロモンによって個体群動態を制御できることが実証されている。^[95]例えば、黄色い板では制御できないRhagoletis cerasiの産卵阻止マーキングフェロモンを適用すると、サクランボの寄生が90%減少した。 ^[96]

もう一つの応用法は、交尾妨害法または交尾妨害法である。ここでは、人工的に生成された高濃度のフェロモンが使用される。これにより、オスがメスのフェロモンを追跡できなくなり、害虫の繁殖が妨げられる。この混乱法は種特異的な効果を持つ。^{[97]十分な数のディスペンサーが使用されると、通常は1つの種に対して成功するが、場合によっては、放出された}生態学的ニッチを関連種が占有する。

ミツバチは働き蜂を巣に誘導するためにナサノフフェロモンを使用する。このフェロモンにはゲラニオールやシトラールなどのテルペンが含まれる。養蜂家は使われていない巣にミツバチを引き寄せるために人工物を使用する。^[98]この方法はアフリカナイズドミツバチをトラップボックスに捕獲するのに適している。^[99]

毒性学的研究は主にフェロモントラップとディスペンサーの承認に関連して行われた。フェロモンの化学的多様性が大きいため、健康被害は一般的に評価できないが、放出される量はごくわずかであるため通常は除外される。しかし、高用量では、カンタリジンなどの経口投与されたフェロモンは、まれに死に至ることがある。^[100]

農作物保護における商業的応用により、フェロモンの研究が強化され、高感度分析法の開発につながった。^[32]フェロモンの同定はいくつかのステップを経て行われる。まず、フェロモンの抽出物を得る。これは、ブテンアンドトがすでに使用した、理想的にはフェロモン生成量が多いときに、容易に蒸発する溶媒で腺または動物全体を抽出する方法で行われる。あるいは、フェロモンをガス相から活性炭に吸着させ、少量の溶媒で抽出物を得る。^[101]非常に微量の痕跡には、固相マイクロ抽出が適している。同定には、抽出物または固相マイクロ抽出サンプルをガスクロマトグラフィー質量分析法で分析する。^[101]

電気触角図法は昆虫フェロモンの生物学的活性を研究するのに適している。 ^{[55] [102]}この技術では、触角の主幹と枝に挿入された電極が、空気流によって定義された方法で触角に運ばれ、触角に衝突するフェロモン分子の濃度の関数として電圧の変化を測定する。[58] フェロモン分子を変化させることで、受容体のキラル要素と相互作用する特定の官能基の影響を決定することができる。^[55]

ガスクロマトグラフィーと電気触角図を組み合わせることで、抽出物中に存在する化合物の生物学的活性を検証することができます。^[55]電気触角図の形状は空気流中の芳香成分に依存し、振幅は空気の濃度と流速とともに増加します。^[103]