Karen Warkentinová, která měla vysoké olivově zelené gumové holínky, stojí na břehu betonu – lemovaný rybník na okraji panamského deštného pralesa. Natáhne široký zelený list, který je stále připevněný k větvi, a ukáže na lesklou spojku želatinových vajec. „Tihle kluci jsou líhní,“ říká.

Červenooké rosničky, Agalychnis callidryas, kladou vajíčka na listy u okraj rybníků; když se pulci vylíhnou, padnou do vody. Za normálních okolností se líhne vejce šest až sedm dní po položení. Ty, na které Warkentin ukazuje, podle jejich velikosti a tvaru, jsou staré asi pět dní, říká. Drobná těla se prosvítají přes čirou membránu naplněnou gelem. Pod mikroskopem by bylo vidět jen červené srdce.

Natáhne se a namočí si ruku do vody v jezírku. opravdu se chtějí vylíhnout, “říká,„ ale mohou. “ Vytáhne list nad vodou a jemně přejede prstem po vejcích.

Klíčí! Vylomí se malé pulce. Přistane částečně po listu, trhne a spadne do vody. Další a další z následují jeho sourozenci. „Není to něco, co mě unavuje sledovat,“ říká Warkentin.

Warkentin pouhým pohybem prstu prokázala fenomén, který mění biologii. Po desetiletích přemýšlení o genech jako o „plánu“ – kódované řetězce DNA diktují našim buňkám přesně to, co a kdy mají dělat – se biologové vyrovnávají s matoucí realitou. Život, dokonce i entita zdánlivě jednoduchá jako žabí vejce, je flexibilní. Má možnosti. Asi za pět dní se červenooká rosnička, vyvíjející se přímo podle plánu, může najednou vydat jinou cestou, pokud detekuje vibrace útočícího hada: Vylíhnou se brzy a zkusí štěstí v rybníku níže.

Překvapivá odezva vajíčka ztělesňuje revoluční biologický koncept, který se nazývá fenotypová plasticita, což je flexibilita, kterou organismus vykazuje při převádění svých genů do fyzikálních vlastností a akcí. organismus jiný než jeho geny (který vědci nazývají genotyp). Koncept fenotypové plasticity slouží jako protilátka proti zjednodušujícímu uvažování o příčinách a následcích o genech; snaží se vysvětlit, jak může gen nebo soubor genů poskytnout vést k více výsledkům, částečně v závislosti na tom, s čím se organismus ve svém prostředí setká. Studium evoluce se tak dlouho soustředilo na samotné geny, že, jak říká Warkentin, vědci předpokládali, že „jednotlivci jsou odlišní, protože jsou odlišní geneticky. Mnoho variací však pochází z vlivů na životní prostředí.“

Když pokojová rostlina vytváří na slunci bledší listy a vodní bleše roste s ostny na ochranu před hladovými rybami, vykazuje fenotypovou plasticitu. V závislosti na prostředí – ať už se jedná o hady, hurikány nebo nedostatek potravy – organismy mohou přinést různé fenotypy. Příroda nebo pěstovat? No, obojí.

Realizace má velké důsledky pro to, jak vědci uvažují o evoluci. Fenotypová plasticita nabízí řešení klíčové hádanky, jak se organismy záměrně přizpůsobují výzvám životního prostředí. nebo ne. A neexistuje úžasnější příklad vrozené flexibility než tato žabí vejce – slepé masy goo geneticky naprogramované tak, aby se vyvíjely a líhly jako hodinky. Nebo se to tak zdálo.

Červené oči Mláďata rosiček se vyhýbala hladovým hadům dlouho předtím, než Warkentin začal studovat tento fenomén před 20 lety. „Lidé si nemysleli, že vejce mají možnost ukázat tento druh plasticity,“ říká Mike Ryan, její PhD poradce na Texaské univerzitě v Austinu. “Bylo jasné, že při zpracování své disertační práce to bylo byla velmi, velmi bohatá oblast, kterou si sama vymyslela. “

Karen Martin, biologka na Pepperdine University, také studuje šrafování plasticity. „Šrafování v reakci na nějakou hrozbu bylo velmi důležitým poznatkem,“ říká Martin. „Myslím, že byla první, kdo toho měl opravdu dobrý příklad.“ Oceňuje vytrvalé úsilí Warkentina učit se velké hodiny biologie ze žabích vajec: „Myslím, že se na tento systém mohlo podívat spousta lidí a řekli:‚ Tady je zvláštní věc, ze které bych mohl dostat nějaké papíry, a teď „Pojedu dál a podívám se na nějaké jiné zvíře.“ Věnovala se porozumění tomuto systému. “

Warkentinův výzkum„ nás přiměje pečlivěji přemýšlet o tom, jak organismy reagují na výzvy, a to i velmi brzy, “ říká Eldredge Bermingham, evoluční biolog a ředitel Smithsonianského institutu pro tropický výzkum (STRI, vyslovuje se „str-eye“) v Gamboa v Panamě. Warkentin, profesor biologie na Bostonské univerzitě, provádí terénní studie na STRI. Tam také ukázala mě, jak přemlouvá vejce k vylíhnutí.

Pulci skákající z mokrého listu mají na břiše ještě trochu žloutku; pravděpodobně nebudou muset jíst další den a půl. Warkentin se stále třel, dokud nezůstalo jen pár, tvrdohlavě se schovávali uvnitř svých vajec. „Pokračujte,“ řekne jim. „Nechci vás tu nechat úplně sami.“

Poslední z pulců přistává ve vodě. Na povrch čekají dravé brouky známé jako zpětní plavci, ale Warkentin říká, že zachránila pulce před horším osudem. Jejich matce chyběla značka a položila je na list, který nedosahoval přes rybník. „Pokud by se líhli na zemi,“ říká, „pak by to bylo jen jídlo pro mravence.“

***

Warkentin se narodila v Ontariu a její rodina se přestěhovala do Keni, když jí bylo 6 let. Její otec pracoval v Kanadské agentuře pro mezinárodní rozvoj při přípravě učitelů v nově nezávislé zemi. Tehdy se začala zajímat o tropickou biologii, hrát si s chameleony a sledovat žirafy, zebry a gazely na cestě do školy v Nairobi. Její rodina se do Kanady vrátila o několik let později, ale ve dvaceti se vydala na stopování a turistiku po celé Africe. „V mé rodině to vypadalo naprosto rozumně,“ říká.

Než zahájila doktorát, odjela do Kostariky, aby se dozvěděla více o tropech a hledala výzkumné téma. Pozemní vajíčka rosničky s očima ji zaujala. Navštěvovala stále stejný rybník a sledovala.

„Měl jsem tu zkušenost – což jsem si byl jistý, že již dříve měli a možná ani jiní tropičtí herpetologové“ Nemysli na to – pokud máš spojku v pozdější fázi, když do ní narazíš, vylíhnou se ti, “říká Warkentin. „Narazil jsem do spojky a všichni zachraňovali.“

Viděla také hady u rybníka. “To, co jsem si myslel, bylo, wow, jsem zvědavý, co by se stalo, kdyby do nich narazil had. , “Řekne a směje se. „Jako, s jeho ústy?“ Ve skutečnosti zjistila, že pokud se objeví had a začne útočit na spojku, vajíčka se líhnou brzy. Embrya uvnitř vajec mohou dokonce poznat rozdíl mezi hadem a jinými vibracemi na listu. „To je věc, jít ven pole a pozorování zvířat, “říká. „Řeknou vám věci, které jste někdy nečekali.“

Biologové si dříve mysleli, že tento druh flexibility způsobil studium evoluce, říká Anurag Agrawal, evoluční ekolog na Cornellově univerzitě. Ne Je vzrušující, že Warkentin zdokumentoval úžasné nové věci týkající se charismatické žáby, ale Agrawal říká, že je toho mnohem víc. “Myslím, že má uznání za to, že to překonala„ gee whiz “a položila některé koncepční otázky v ekologii a evoluci. “

Jaké jsou výhody jedné taktiky přežití oproti jiné? Dokonce i 5denní žába musí vyvážit výhodu vyhýbání se hladovému hadovi proti ceně předčasného vylíhnutí. A ve skutečnosti Warkentin a její kolegové zdokumentovali, že časně vylíhnutá pulci byla méně pravděpodobná než jejich pozdě vylíhnutí bratři, že přežijí do dospělosti, zejména v přítomnosti hladových nymf vážek.

Plasticity nejen umožňuje žáby se v tuto chvíli vyrovnávají s výzvami; mohlo by to dokonce koupit čas na evoluci. Warkentin zjistil, že pulci se líhnou také brzy, pokud jim hrozí vysušení. Pokud by deštný prales postupně vysychal, mohlo by se takové rané líhnutí stát standardem po nespočetných generacích a žába by mohla ztratit svoji plasticitu a vyvinout se v nový rychle se líhnoucí druh.

Jednou z hlavních pilířů evolučního myšlení je že náhodné genetické mutace v DNA organismu jsou klíčem k přizpůsobení se výzvě: Náhodou se změní sekvence genu, objeví se nový znak, organismus předá svou pozměněnou DNA další generaci a nakonec způsobí jinou druh. Před desítkami milionů let tedy někteří suchozemští savci získali mutace, díky nimž se přizpůsobili životu v oceánu – a jeho potomky jsou velryby, které známe a milujeme. Ale plasticita nabízí další možnost: Samotný gen nemusí mutovat, aby se objevila nová vlastnost. Místo toho by něco v prostředí mohlo přimět organismus provést změnu čerpáním z variace, která je již v jeho genech.

Jistě, teorie, že plasticita může ve skutečnosti vést k novým znakům, je kontroverzní . Jeho hlavním zastáncem je Mary Jane West-Eberhard, průkopnická teoretická biologka v Kostarice přidružená k STRI a autorka vlivné knihy Developmental Plasticity and Evolution z roku 2003. „20. století bylo nazýváno stoletím genu,“ říká West-Eberhard. „21. století slibuje, že bude stoletím životního prostředí.“ Říká, že myšlení zaměřené na mutace je „evoluční teorie v popření“. Darwin, který ani nevěděl, že existují geny, měl pravdu, říká: Nechal otevřenou možnost, že by kvůli vlivu prostředí mohly vzniknout nové rysy.

West-Eberhard říká, že skupina Warkentin „prokázala překvapivou schopnost malých embryí přijímat adaptivní rozhodnutí na základě vynikající citlivosti k jejich prostředí.“ Tento druh variace, říká West-Eberhard, „může vést k evoluční diverzifikaci mezi populacemi.“

Ačkoli ne každý souhlasí s West-Eberhardovou teorií, jak by mohla plasticita přinést novost, mnoho vědců si nyní myslí, že fenotypová plasticita se objeví, když organismy žijí v prostředí, které se liší. Plasticita může rostlinám a zvířatům poskytnout čas, aby se přizpůsobily, když se dostanou do zcela nového prostředí, například když jsou semena vyhozena na ostrov. Semeno, které není tak náročné na své požadavky na teplotu a světlo, by se mohlo na novém místě zlepšit lépe – a možná by nemuselo čekat, až se objeví adaptivní mutace.

Také si mnoho vědců myslí, že plasticita může pomoci organizmům vyzkoušet nové fenotypy, aniž by jim byly zcela oddány. Například časné líhnutí. Různé druhy žab se velmi liší v tom, jak jsou vyvinuté, když se vylíhnou. Někteří mají podsaditý ocas a stěží umí plavat; ostatní jsou plně formovaná zvířata se čtyřmi končetinami. „Jak se vám podaří dosáhnout takového druhu variace?“ Zeptá se Warkentin: „Hraje v tom roli plasticita v líhnutí? Nevíme, ale je to docela možné. “

***

Město Gamboa bylo postaveno v letech 1934 až 1943 Panama Canal Company, americká vládní korporace, která ovládala kanál až do roku 1979, kdy byl předán Panamě. Gamboa, na okraji deštného pralesa, je část města duchů, část komunity ložnic pro Panama City a část vědeckého letního tábora. Poměrně málo obyvatel je vědců a zaměstnanců STRI.

Když jsem navštívil, měl Warkentinův tým až tucet lidí, včetně několika vysokoškoláků, které označuje jako „děti“. Jednoho rána vyšla z Warkentinovy laboratoře četa energicky vyhlížejících mladých lidí v gumových botách, batohech a kloboucích vysokých po kolena a kráčí přes pole za školou kolem tenisových kurtů.

James Vonesh, profesor na Virginia Commonwealth University, která absolvovala postdoktorandské stáže s Warkentinem a stále s ní spolupracuje, upozorňuje na své oblíbené znamení ve městě, pozdržení z doby Canal Zone: „No Necking“. Je vymalován na přední straně stojanů u starého bazénu, který je nyní součástí sportovního klubu místních hasičů. Potom vysvětlí jednomu z dětí, co znamená „zúžení“.

Scházejí po silnici do školky pro původní rostliny, překračují příkop na lávce a dorazí k experimentálnímu rybníku. Byl postaven z betonu podle specifikací poskytnutých Warkentinem a Stanem Randem, ctěným výzkumníkem žab na STRI, který zemřel v roce 2005.

Na druhé straně rybníka je oblast výzkumu skupiny, ohraničená příkopem na jedné straně a potokem, pak deštný prales, na druhé straně. Je zde kůlna s kovovou střechou a otevřenými stranami, obklopená desítkami 100-galonových dobytčích tanků používaných při experimentech. Vypadají jako kbelíky, které se chystají zachytit řadu extrémně velkých úniků. Vonesh mluví o instalatérství systém s větším nadšením, než se zdá možné. „Můžeme naplnit nádrž na dobytek za tři nebo čtyři minuty!“ zvolal.

Všechno to rychlé plnění znamená, že vědci mohou provádět rychlé experimenty, o kterých mohou ostatní vodní ekologové jen snít. Dnes demontují experiment s predátory. Před čtyřmi dny bylo do každé z 25 nádrží vloženo 47 pulců spolu s jedním Belostomatidem, jakýmsi vodním broukem, který jí pulce. Dnes budou počítat pulce, aby zjistili, kolik Belostomatidů snědli.

Obří modrý motýl morpho poletuje kolem, jeho duhovými křídly se otřásá elektrická modrá proti svěžímu zelenému lesu. „Přijíždějí kolem stejného místa ve stejnou denní dobu,“ říká Warkentin.

„Přísahám, že toho vidím každé ráno,“ říká Vonesh.

“ Je to morfo 9:15, „říká Warkentin.

Warkentin vysvětluje experiment, který dnes dokončují.“ Víme, že dravci očividně zabíjejí kořist a také ji kořistí, „říká. Když nově vylíhnutá pulci spadnou do rybníka, vodní hrozby jsou jednou z hrozeb, kterým čelí. Plastičnost pulců jim může pomoci vyhnout se snědení – pokud dokáží detekovat chyby a nějak reagovat.

Ekologové vyvinuli matematické rovnice popisující, kolik kořisti by měl dravec umět snést, a elegantní grafy ukazují, jak populace roste a klesá, když jeden jí druhý. Co se ale ve skutečnosti děje v přírodě? Záleží na velikosti? Kolik 1denních pulců jí plně dospělý brouk? Kolik starších a tlustších pulců? „Je zřejmé, že si myslíme, že malé věci se snáze chytají, jedí a drží se vám v ústech,“ říká Vonesh. „Ale to jsme opravdu nezačlenili ani do těchto základních modelů.“

Abychom zjistili, z toho, kolik pulců sežralo, musejí vysokoškoláci, postgraduální studenti, profesoři a postdoktorandi dostat každou poslední pulci z každé nádrže, aby se započítali.Vonesh zvedne ze země čirý plastový pohár na pití. Uvnitř je vodní brouk, který hodoval na pulci. „Je to velký chlap,“ říká. Sáhne do nádrže se sítí, vytáhne pulce po jednom nebo dvou a vloží je do mělké plastové vany.

„Jste připraveni?“ ptá se Randall Jimenez, postgraduální student na Národní univerzitě v Kostarice.

„Jsem připraven,“ říká Vonesh. Vonesh nakloní nádrž, zatímco Jimenez drží síť pod tryskající vodou. Kluci sledují síť pro všechny pulce, které Vonesh zmeškal. „Vidíš někoho?“ Zeptá se Vonesh. „Ne,“ říká Jimenez. Trvá téměř 30 sekund, než voda vytéká. Většina vědců nosí vysoké gumové boty, které chrání před hady, ale jsou užitečné, protože země se rychle mění v bahno.

Hejno gracklů bloudí nonšalantně trávou. „Rád jedí pulce,“ říká Vonesh. „Rádi se potloukají a předstírají, že hledají žížaly, ale jakmile se otočíte zády, jsou ve vaší vaně.“

Vonesh vezme svou vanu pulce do kůlny, kde Warkentin fotografuje to. Student spočítá pulce na každém obrázku. Hmyz a ptáci zpívají ze stromů. Něco padá – plink – na kovovou střechu. Nákladní vlak píská z vlakových kolejí, které vedou podél kanálu; skupina opičích opic štěká chraplavá reakce ze stromů.

Vědcům, jako je Warkentin, nabízí Gamboa trochu deštného pralesa asi hodinu jízdy od mezinárodního letiště. „Ach můj bože.“ Je to tak snadné, “říká. „Existuje nebezpečí, že si neuvědomíme, jaké to je úžasné. Je to neuvěřitelné místo pro práci.“

Během dne ikonické žáby s červenými očima neskákají. Pokud víte, co jste hledáte, můžete najít příležitostného dospělého muže lpícího na listu jako světle zelená krabička – nohy složené, lokty zastrčené po boku, aby se minimalizovala ztráta vody. Membrána se vzorem jako vyřezávaná dřevěná okenní obrazovka mešity zakrývá každé oko.

Skutečná akce je v noci, takže jednoho večera Warkentin, Vonesh a někteří hosté navštíví rybník a hledají žáby. Ptáci, hmyz a opice jsou tichí, ale vzduch naplňují obojživelní cvrlikání a vrzání. Volání jedné žáby je jasné, hlasité „klepání – klepání!“ Další zní přesně jako paprsková zbraň ve videohře. Les se v noci cítí divočejší.

V blízkosti kůlny se mužská červenooká rosnička drží na stonku širokého listu. Drobné oranžové prsty jsou roztažené, ukazuje své bílé břicho a široké červené oči ve světle několika světlometů. „Mají tyto fotogenické polohy,“ říká Warkentin. „A oni tam jen tak sedí a nechají vás vyfotit. Neutíkají. Některé žáby jsou tak nervózní. “ Možná proto se proslavila rosnička s červenýma očima, která je podle mého návrhu na tolika kalendářích – fotografují snadněji než jiné žáby. Opravuje mě: „Jsou roztomilejší.“

Vědci si myslí, že předkové moderních žab všichni kladli vajíčka do vody. Možná by si žába s červenýma očima mohla vyvinout své návyky kladení listů jako výsledek fenotypové plasticity. Možná se předek pustil do kladení vajíček z vody, jen ve skutečně vlhkých dnech, aby se dostal pryč od vodních predátorů – plastický způsob řešení nebezpečného prostředí – a tato vlastnost se přenesla na jeho potomky , což nakonec úplně ztratilo schopnost snášet vajíčka do vody.

Nikdo neví, jestli se to tak stalo. „Bylo to velmi dávno a tyto experimenty již nelze použít,“ říká Warkentin .

Ale probíhají zajímavé experimenty s jiným druhem žáby – ten, který by mohl stále navigovat přechod mezi vodou a zemí. Justin Touchon, bývalý doktorand společnosti Warkentin’s, studuje, jak přesýpací rosnička Dendropsophus ebraccatus klade svá vajíčka, která jsou méně nabitá želé a náchylnější k vysychání než rosničky s červenými očima. “ Zdá se, že žába přesýpacích hodin si na základě vlhkosti zvolí, kam položí vejce. Touchon zjistil, že u rybníků ve stínu stromů kladou vajíčka na listy nad vodou, ale u teplejších a exponovanějších rybníků jdou vajíčka do vody.

Ve studii zveřejněné minulý měsíc zjistili, že vejce pravděpodobněji přežijí na zemi, pokud bude hodně deště, a větší pravděpodobnost, že přežijí ve vodě, pokud bude dešťů málo. Podíval se také na dešťové rekordy pro Gamboa za posledních 39 let a zjistil, že i když se celkové srážky nezměnily, vzor má: Bouře jsou větší, ale sporadičtější. Tato změna prostředí by mohla být příčinou změny ve způsobu reprodukce žab přesýpacích hodin. „Poskytuje okno toho, co způsobilo rozmnožování pohybu na souši,“ říká Touchon – klima, které se změnilo tak, aby mělo spoustu ustáleného deště, mohlo žábám zajistit bezpečnější snášení vajec z vody.

Warkentinova skupina sídlí v přízemí základní školy Gamboa, která byla uzavřena v 80. letech. Jednoho rána sedí Warkentin na staré otočné židli se zaprášenými pažemi u vysloužilého kancelářského stolu a dělá něco, co vypadá jako základní škola řemeslný projekt.

Na podlaze po její levé straně sedí bílý kbelík s řadami zelených obdélníků, které jsou uvnitř přilepené potrubím. Natáhne se dolů a jednu vytáhne. Je to kousek listu, stříhaný nůžkami z jedné ze širokolistých rostlin u experimentálního jezírka, a na něm je spojka želatinových červenookých vajíček rosničky. Odtrhne proužek pásky a kousek listu nalepí na modrý plastový obdélník, vystřižený z plastové piknikové desky.

„S jednorázovým nádobím, lepicí páskou a pozinkováním můžete udělat ohromné množství vědy. drát, “říká.

Postaví kartu do čirého plastového kelímku s trochou vody na dně, kde pulci spadnou, když se vylíhnou, a přejde na další kousek listu. Pulci budou součástí nových predátorských experimentů.

Jednoduché modely mají velkou vysvětlující hodnotu – chce však pochopit, jak příroda ve skutečnosti funguje. „Snažíme se zápasit s tím, co je skutečné,“ říká. „A realita je komplikovanější.“