LẦN ĐẦU TIÊN NHÌN THẤY MỘT GIỌT PHEROMONE CỦA KIẾN

Khi một con kiến Lasius niger tìm thấy thức ăn, nó quay về tổ và để lại phía sau một vệt mùi. Nó hạ bụng sát mặt đất và nhả ra những giọt pheromone li ti, một thông điệp hóa học dẫn các bạn cùng tổ tới nguồn thức ăn. Những đường mòn như thế đã được mô tả từ năm 1779. Chúng trở thành mô hình kinh điển trong sách giáo khoa về sự tự tổ chức và truyền cảm hứng cho cả một họ phương pháp máy tính, các thuật toán tối ưu đàn kiến.

Giọt chất chưa ai từng thấy

Thế nhưng đơn vị cơ bản của đường mòn chưa bao giờ được quan sát. Các nhà nghiên cứu suy ra độ mạnh của một đường mòn từ lưu lượng kiến qua lại hoặc từ hành vi nhả giọt, và giả định rằng mọi giọt đều như nhau. Thể tích của một lần nhả, tốc độ bay hơi, nồng độ thực của một đường mòn tự nhiên: tất cả đều chưa biết. Ngay cả dung môi chiếm phần lớn một giọt cũng chưa từng được xác định.

Laure-Anne Poissonnier, Pierre Bon và các đồng nghiệp tại viện XLIM (CNRS và Đại học Limoges) quyết định nhìn trực tiếp những giọt này.

Cân một giọt bằng ánh sáng

Những con kiến Lasius niger này đến từ một tổ do một kiến chúa được thu thập ở Toulouse năm 2020 lập nên. Sau vài ngày nhịn đói, kiến thợ được thả lên một cây cầu kính treo dài 57 milimét, đầu bên kia có nước đường.

Các giọt chất trong suốt, nên nhóm dùng chụp ảnh pha định lượng (quantitative phase imaging): một kỹ thuật giao thoa đo mức độ một vật trong suốt làm chậm ánh sáng đi qua nó. Khi giả định một chiết suất, độ trễ đó cho ra độ dày tại chỗ, sai số khoảng 20%. Không cần thuốc nhuộm, không cần tiếp xúc. Một camera thứ nhất quay một vùng cố định trên cầu với tốc độ tới 250 hình mỗi giây; sau đó một kính hiển vi có bàn di chuyển bằng mô-tơ quét toàn bộ cây cầu.

Chất lỏng biến mất, chất rắn ở lại

Những giọt đầu tiên được ghi lại ngay khi chúng rời khỏi bụng kiến. Chúng ở thể lỏng. Một giọt giảm từ 0,4 xuống 0,15 picolít trong khoảng 120 mili giây. Một giọt khác, lớn gấp bốn lần, giảm từ 1,7 xuống 0,4 picolít với hằng số thời gian 11 giây. Một picolít là một phần nghìn tỷ lít.

Thứ còn lại là một mảng rắn phẳng rộng khoảng 80 micromet và chỉ dày vài chục đến vài trăm nanomet. Theo dõi dưới kính hiển vi hơn một giờ, một mảng như vậy chậm rãi mất khoảng 10% thể tích, với hằng số thời gian 63 phút — gần với khoảng thời gian mà đường mòn của Lasius niger được biết là còn hiệu lực. Sau 24 giờ, vẫn còn một cặn rắn.

Các tác giả lý giải điều này bằng ba thành phần:

• một dung môi chiếm phần lớn giọt và bay hơi trong vài giây — điều mà các phân tích hóa học thông thường bỏ sót, vì chúng thu mẫu đường mòn sau đó;
• một chất rắn thăng hoa chậm, tức là chuyển thẳng sang thể khí. Họ cho rằng đó có thể là isocoumarin, một phân tử được biết là khiến loài kiến này đi theo đường mòn;
• một cặn bền, có thể đóng vai trò như một chất nền giữ, giúp mùi lưu lại tại chỗ.

Nếu toàn bộ chất thăng hoa trong một lần nhả đều là isocoumarin, lượng đó vào khoảng 26 picogam, tức 110 tỷ phân tử được giải phóng vào không khí.

Chỉ quan sát con kiến là chưa đủ

Các nhà nghiên cứu thường đếm giọt bằng cách để ý động tác cong bụng đặc trưng. Nhóm quay phim kiến từ trên xuống và từ bên cạnh, rồi quét cây cầu. Ở một con kiến tiêu biểu, có 7 tư thế nhả giọt được ghi nhận: 6 tư thế khớp với một giọt thật, một tư thế không khớp với gì cả, kể cả khi tìm với độ nhạy cao hơn. Hành vi là một chỉ dấu hữu ích nhưng không hoàn hảo.

Không có hai giọt nào giống nhau

Rồi đến bất ngờ lớn nhất. Ở năm con kiến, các giọt khác nhau về hình dạng, diện tích và thể tích:

• diện tích trung vị: 4.300 micromet vuông, chênh lệch tới mười lần;
• thể tích trung vị: 0,68 picolít, từ dưới 0,2 đến trên 4 — hơn 20 lần;
• tròn hoặc hình quả lê, tùy cách con kiến kéo lê phần bụng.

Một mô hình thống kê quy khoảng 90% sự biến thiên cho khác biệt giữa các cá thể kiến. Giả định phổ biến rằng các giọt đều giống hệt nhau là sai, ít nhất ở loài này.

Chuyên gia vạch đường?

Nếu những khác biệt cá thể này ổn định theo thời gian, một số kiến thợ có thể đóng vai trò lớn vượt trội trong việc xây dựng đường mòn. Các tác giả muốn đưa những giá trị đo được này vào các mô hình hành vi tập thể và các thuật toán tối ưu, đồng thời tìm ra lượng nhỏ nhất mà một con kiến có thể phát hiện. Ngoài sinh học thuần túy, họ chỉ ra những ý nghĩa thực tiễn: bả diệt kiến xâm hại khai thác cơ chế huy động mà đường mòn tạo ra, và pheromone ngày càng được dùng trong nông nghiệp như những giải pháp có mục tiêu thay thế thuốc trừ sâu.