Karen Warkentin iført høje olivengrønne gummistøvler står på bredden af en beton dam på kanten af den panamanske regnskov. Hun trækker i et bredt grønt blad, der stadig er fastgjort til en gren og peger på en skinnende kobling af gelélignende æg. “Disse fyre er klækkelige,” siger hun.

Rødøjede træfrøer, Agalychnis callidryas, lægger deres æg på løvet ved kant af damme; når haletudser klækkes, falder de i vandet. Normalt klækkes et æg seks til syv dage efter, at det er lagt. De, som Warkentin peger på, ud fra deres størrelse og form, er omkring fem dage gamle, siger hun. Små kroppe viser sig gennem den klare gelfyldte membran. Under et mikroskop ville de røde hjerter bare være synlige.

Hun strækker sig ned for at våde hånden i vandet i dammen. “De gør ikke vil virkelig klække, ”siger hun,“ men det kan de. ” Hun trækker bladet ud over vandet og kører forsigtigt en finger over æggene.

Sproing! En lille tadpole bryder ud. Den lander halvvejs ned ad bladet, rykker og falder i vandet. En anden og en af dets søskende følger. ”Det er ikke noget, jeg bliver træt af at se på,” siger Warkentin.

Med bare et fingergreb har Warkentin demonstreret et fænomen, der transformerer biologien. Efter årtier med at tænke på gener som et “blueprint” – de kodede DNA-tråde dikterer til vores celler nøjagtigt, hvad de skal gøre, og hvornår de skal gøre det – er biologer i færd med at forvirre en forvirrende virkelighed. frøæg, er fleksibelt. Det har muligheder. Om fem dage eller deromkring kan rødøjede træfrøæg, der udvikler sig lige efter planen, pludselig gå en anden vej, hvis de registrerer vibrationer fra en angribende slange: De klækkes tidligt og prøver lykken i dammen nedenfor.

Æggets overraskende lydhørhed indbegreber et revolutionerende koncept i biologien kaldet fænotypisk plasticitet, hvilket er den fleksibilitet, en organisme viser i at oversætte sine gener til fysiske træk og handlinger. Fænotypen handler stort set alt om en anden organisme end dens gener (som forskere kalder genotypen). Begrebet fænotypisk plasticitet tjener som modgift mod forenklet årsag-og-effekt-tænkning om gener; den forsøger at forklare, hvordan et gen eller et sæt gener kan give stige til flere resultater, afhængigt dels af hvad organismen støder på i sit miljø. Undersøgelsen af evolution har så længe været centreret om generne selv, at Warkentin siger, at forskere har antaget, at “individer er forskellige, fordi de er genetisk forskellige. Men meget af variationen derude kommer fra miljøeffekter.”

Når et husplante laver lysere blade i solen, og en vandloppe vokser pigge for at beskytte mod sultne fisk, viser de fænotypisk plasticitet. Afhængigt af miljøet – om der er slanger, orkaner eller madmangel at håndtere – kan organismer bringe forskellige fænotyper ud. Natur eller pleje? Nå, begge.

Realiseringen har store implikationer for, hvordan forskere tænker på evolution. Fænotypisk plasticitet giver en løsning på det afgørende puslespil om, hvordan organismer tilpasser sig miljøudfordringer, bevidst eller ej. Og der er ikke noget mere forbløffende eksempel på medfødt fleksibilitet end disse frøæg – blinde masser af goo, der er genetisk programmeret til at udvikle sig og klækkes som et urværk. Eller sådan så det ud.

Røde øjne d træfrøklækninger var ved at undvige sultne slanger længe før Warkentin begyndte at studere fænomenet for 20 år siden. ”Folk havde ikke tænkt på æg som muligheden for at vise denne form for plasticitet,” siger Mike Ryan, hendes ph.d.-rådgiver ved University of Texas i Austin. ”Det var meget klart, da hun lavede sin ph.d.-afhandling, at dette var et meget, meget rigt felt, som hun slags selv havde opfundet. ”

Karen Martin, biolog ved Pepperdine University, studerer også ruge plasticitet. ”Udklækning som reaktion på en eller anden form for trussel har været en meget vigtig indsigt,” siger Martin. ”Jeg tror, hun var den første, der havde et rigtig godt eksempel på det.” Hun roser Warkentins vedvarende indsats for at lære store biologilektioner fra frøæg: “Jeg tror, at mange mennesker måske har kigget på dette system og sagt: ‘Her er en slags skæve ting, som jeg kunne få nogle papirer ud af, og nu ‘Vi kommer videre og ser på et andet dyr.’ Hun dedikerede sig til at forstå dette system. “

Warkentins forskning” får os til at tænke mere nøje på, hvordan organismer reagerer på udfordringer selv meget tidligt i livet, ” siger Eldredge Bermingham, en evolutionær biolog og direktør for Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, udtales “str-eye”) i Gamboa, Panama. Warkentin, en biologiprofessor ved Boston University, gennemfører sine feltstudier på STRI. Det var her, hun viste mig hvordan hun lokker æggene til at klække.

Tadpoles, der springer fra det våde blad, har stadig en lille æggeblomme på maven; de har sandsynligvis ikke brug for at spise halvanden dag til. Warkentin fortsætter med at gnide, indtil kun et par er tilbage og gemmer sig stædigt inde i deres æg. “Gå videre,” siger hun til dem. “Jeg vil ikke efterlade jer her alene.”

Den sidste af haletudser lander i vandet. Rovdyr kaldet backswimmers venter på overfladen, men Warkentin siger, at hun reddede haletudser fra en værre skæbne. Deres mor havde savnet mærket og lagt dem på et blad, der ikke nåede ud over dammen. “Hvis de klækkede på jorden,” siger hun, “ville de bare være myremad.”

***

Warkentin blev født i Ontario, og hendes familie flyttede til Kenya, da hun var 6. Hendes far arbejdede sammen med det canadiske internationale udviklingsagentur for at uddanne lærere i det nyligt uafhængige land. Det var da hun blev interesseret i tropisk biologi, legede med kamæleoner og så på giraffer, zebraer og gazeller på kørslen til skolen i Nairobi. Hendes familie vendte tilbage til Canada adskillige år senere, men kl. 20 gik hun blafertur og backpacket over Afrika. “Det var noget, der syntes helt rimeligt i min familie,” siger hun.

Før hun startede sin ph.d., gik hun til Costa Rica for at lære mere om troperne og lede efter et forskningsemne. øjet træfrøs landæg blev fanget af hendes interesse. Hun besøgte den samme dam igen og igen og så på.

“Jeg havde den oplevelse – som jeg er sikker på, at andre tropiske herpetologer har haft før og måske ikke gjorde ‘ t tænk over – hvis du har en kobling i et sent stadium, hvis du støder på dem, klæber de på dig, ”siger Warkentin. ”Jeg stødte på en kobling, og de reddet alle sammen.”

Hun havde også set slanger ved dammen. ”Hvad jeg troede var, wow, jeg spekulerer på, hvad der ville ske, hvis en slange stødte på dem ”Siger hun og griner. “Ligesom med munden?” Faktisk fandt hun, at hvis en slange dukker op og begynder at angribe koblingen, klækkes æggene tidligt. Embryonerne inde i æggene kan endda fortælle forskellen mellem en slange og andre vibrationer på bladet. “Dette er sagen ved at gå ud i marken og holde øje med dyrene, ”siger hun. “De vil fortælle dig ting, som du ikke havde forventet nogle gange.”

Biologer troede, at denne form for fleksibilitet kom i vejen for at studere evolution, siger Anurag Agrawal, en evolutionær økolog ved Cornell University. Nej Det er spændende, at Warkentin har dokumenteret vidunderlige nye ting om en karismatisk frø, men Agrawal siger, at der er meget mere ved det. “Jeg tror, at hun får æren for at tage det ud over ‘gee whiz’ og stille nogle af de konceptuelle spørgsmål i økologi og evolution. ”

Hvad er fordelene ved en overlevelsestaktik frem for en anden? Selv en 5 dage gammel frø skal afveje fordelen ved at undgå en sulten slange mod omkostningerne ved at klække tidligt. Og faktisk har Warkentin og hendes kolleger dokumenteret, at tidligt klækkende haletudser var mindre tilbøjelige til at overleve til voksenalderen end deres udklækkede brødre, især i nærværelse af sultne guldsmedens nymfer.

Plasticitet lader ikke kun frøer klare udfordringer i øjeblikket; det kan endda købe tid til evolution at ske. Warkentin har fundet ud af, at haletudser også klækkes tidligt, hvis de risikerer at tørre ud. Hvis regnskoven gradvist blev tørrere, kan en sådan tidlig udklækning blive standard efter utallige generationer, og frøen kan miste sin plasticitet og udvikle sig til en ny, hurtigt klækkende art.

En af grundpillerne i evolutionær tænkning er at tilfældige genetiske mutationer i en organisms DNA er nøglen til at tilpasse sig en udfordring: Tilfældigt ændres sekvensen af et gen, et nyt træk dukker op, organismen videregiver sit ændrede DNA til næste generation og giver efterhånden en anden arter. Følgelig erhvervede nogle landpattedyr for titusindvis af år siden mutationer, der lader det tilpasse sig livet i havet – og dets efterkommere er de hvaler, vi kender og elsker. Men plasticitet giver en anden mulighed: Genet i sig selv behøver ikke at mutere for at et nyt træk kan overflade. I stedet kunne noget i miljøet skubbe organismen til at foretage en ændring ved at trække på den variation, der allerede er i dens gener.

For at være sikker er teorien om, at plasticitet faktisk kunne give anledning til nye træk kontroversiel. . Dens vigtigste talsmand er Mary Jane West-Eberhard, en banebrydende teoretisk biolog i Costa Rica tilknyttet STRI og forfatter til den indflydelsesrige bog 2003 Developmental Plasticity and Evolution. “Det 20. århundrede er blevet kaldt genets århundrede,” siger West-Eberhard. “Det 21. århundrede lover at være miljøets århundrede.” Hun siger, at mutationscentreret tænkning er “en evolutionsteori i benægtelse.” Darwin, der ikke engang vidste, at gener eksisterede, havde det rigtigt, siger hun: Han lod muligheden for, at nye træk kunne opstå på grund af miljøpåvirkning, være åben.

West-Eberhard siger, at Warkentins gruppe har “demonstreret en overraskende evne hos små embryoner til at træffe adaptive beslutninger baseret på udsøgt følsomhed over for deres omgivelser.” Den slags variation, siger West-Eberhard, “kan føre til evolutionær diversificering mellem befolkningerne.”

Selvom ikke alle er enige med West-Eberhards teori om, hvordan plasticitet kunne skabe nyhed, tror mange forskere nu, at fænotypisk plasticitet vil opstå, når organismer lever i miljøer, der varierer. Plasticitet kan give planter og dyr tid til at tilpasse sig, når de dumpes i et helt nyt miljø, f.eks. Når frø blæses til en ø. Et frø, der ikke er så kræsen med hensyn til temperatur- og lysbehov, kan gøre det bedre et nyt sted – og behøver muligvis ikke at vente på, at en adaptiv mutation kommer sammen.

Også mange forskere mener, at plasticitet kan hjælpe organismer med at afprøve nye fænotyper uden at være helt engagerede i dem. Tidlig klækning, for eksempel. Forskellige arter af frøer varierer meget i, hvor udviklede de er, når de klækkes. Nogle har en stumpet hale og kan næsten ikke svømme; andre er fuldt dannede, firbenede dyr. “Hvordan får du den slags udviklede variation?” Spørger Warkentin. ”Spiller plasticitet i klækketiden en rolle i det? Vi ved det ikke, men det er meget muligt. ”

***

Byen Gamboa blev bygget mellem 1934 og 1943 af Panama Canal Company, et amerikansk regeringsselskab, der kontrollerede kanalen indtil 1979, da den blev overdraget til Panama. Gamboa, på kanten af en regnskov, er en del spøgelsesby, en del soveværelse samfund for Panama City og en del videnskabelig sommerlejr. En hel del beboere er videnskabsmænd og ansatte på STRI.

Da jeg besøgte, havde Warkentins hold op til et dusin mennesker, inklusive flere studentereksamen, som hun omtaler som “børnene.” En morgen forlader Warkentins laboratorium en poses af kraftigt udseende unge i knæhøje gummistøvler, rygsække og hatte og går over marken bag skolen forbi tennisbanerne.

James Vonesh, professor ved Virginia Commonwealth University, der gjorde et postdoktoralt stipendium med Warkentin og stadig samarbejder med hende, påpeger sit yndlingsskilt i byen, en holdover fra Canal Zone-æraen: “No Necking.” Det er malet på forsiden af tribunerne ved den gamle swimmingpool, nu en del af den lokale brandmænds sportsklub. Derefter forklarer han en af børnene, hvad “halsring” betyder.

De går ad en vej ind i en planteskole for indfødte planter, krydser en grøft på en gangbro og ankommer til eksperimentel dam. Den var bygget af beton til specifikationer leveret af Warkentin og Stan Rand, en æret frøeforsker ved STRI, der døde i 2005.

På dammen er den anden side af gruppens forskningsområde, afgrænset af en grøft på den ene side og en strøm, derefter regnskov på den anden. Der er et skur med metaloverdæk med åbne sider omgivet af snesevis af 100-gallon kvægtanke brugt i eksperimenter. De ligner spande, der er beregnet til at fange en række ekstremt store lækager. Vonesh taler om VVS system med mere entusiasme, end det ser ud til at være muligt. “Vi kan fylde en kvægbeholder om tre eller fire minutter!” udbryder han.

Alt det hurtige udfyldning betyder, at forskerne kan gøre hurtige eksperimenter, som andre akvatiske økologer kun kan drømme om. I dag demonterer de et eksperiment med rovdyr. For fire dage siden blev 47 haletudser anbragt i hver af 25 tanke sammen med en Belostomatid, en slags vanddyr, der spiser haletudser. I dag tæller de haletudserne for at finde ud af, hvor mange Belostomatiderne spiste.

En kæmpe blå morfosommerfugl flyver forbi, dens iriserende vinger er et chokerende stænk af elektrisk blå mod den frodige grønne skov. “De kommer forbi det samme sted på samme tid på dagen,” siger Warkentin.

“Jeg sværger, at jeg ser den hver morgen,” siger Vonesh.

” Det er morfoen 9:15, “siger Warkentin.

Warkentin forklarer eksperimentet, de er færdig med i dag.” Vi ved, at rovdyr naturligvis dræber bytte, og de skræmmer også bytte, “siger hun. Når nyklækkede haletudser falder ned i en dam, er vandbugs en af de trusler, de står over for. Tadpoles ‘plasticitet kan hjælpe dem med at undgå at blive spist – hvis de kan opdage bugs og på en eller anden måde reagere.

Økologer har udviklet matematiske ligninger, der beskriver, hvor meget bytte et rovdyr skal kunne spise, og elegante grafer viser, hvordan befolkningerne stiger og falder, når den ene spiser den anden. Men hvad sker der virkelig i naturen? Betyder størrelse noget? Hvor mange 1 dag gamle haletudser spiser en fuldvoksen vanddyr? Hvor mange ældre, federe haletudser? “Vi synes selvfølgelig, at små ting er lettere at fange og spise og holde fast i munden,” siger Vonesh. “Men det har vi virkelig ikke indarbejdet i selv denne slags grundlæggende modeller.”

At figurere ud af, hvor mange haletudser der blev spist, studerende, kandidatstuderende, professorer og en postdoktor skal få hver sidste haletudse ud af hver tank for at blive talt.Vonesh tager en klar plastikdrikkekop op fra jorden ved fødderne. Inde er en vandbug, der fejrede på haletudser. “Han er en stor fyr,” siger han. Han rækker ud i en tank med nettet og trækker haletudser en eller to ad gangen og lægger dem i et lavt plastikbadekar.

“Er du klar?” spørger Randall Jimenez, en kandidatstuderende ved National University of Costa Rica.

“Jeg er klar,” siger Vonesh. Vonesh tipser tanken, da Jimenez holder et net under det strømmende vand. Gutterne ser på nettet for alle haletudser, som Vonesh savnede. “Ser du nogen?” Spørger Vonesh. “Nej,” siger Jimenez. Det tager næsten 30 sekunder for vandet at strømme ud. De fleste af forskerne bærer høje gummistøvler for at beskytte mod slanger, men de er nyttige, da jorden hurtigt bliver til mudder.

En flok brak vandrer nonchalant gennem græsset. ”De kan lide at spise haletudser,” siger Vonesh. “De kan lide at hænge ud og lade som om de leder efter regnorme, men så snart du vender ryggen, er de i dit kar.”

Vonesh tager sin kar med haletudser til skuret, hvor Warkentin fotograferer det. En studerende tæller haletudser i hvert billede. Insekter og fugle synger fra træerne. Noget falder – plink – på metaltaget. Et godstog fløjter fra togsporene, der løber langs kanalen; en gruppe brølaber. bjeffer et voldsomt svar fra træerne.

Til forskere som Warkentin tilbyder Gamboa en smule regnskov omkring en times kørsel fra en international lufthavn. ”Åh, min gud. Det er så let, ”siger hun. “Der er en fare for ikke at forstå, hvor fantastisk det er. Det er et utroligt sted at arbejde.”

I løbet af dagen hopper de ikoniske rødøjede frøer ikke om. Hvis du ved hvad du er På udkig efter kan du finde en lejlighedsvis voksen mand, der klamrer sig til et blad som en lysegrøn pillbox – ben foldede, albuer gemt ved hans side for at minimere vandtab. En membran mønstret som en moskees udskårne trævindueskærm dækker hvert øje.

Den virkelige handling er om natten, så en aften besøger Warkentin, Vonesh og nogle gæster dammen for at lede efter frøer. Fuglene, insekterne og aberne er stille, men padder af padder og knirker fylder luften. En frøens kald er et klart, højt “knock-knock!” En anden lyder nøjagtigt som en strålepistol i et videospil. Skoven føles mere vild om natten.

I nærheden af et skur klæber en mandlig rødøjet træfrø sig til stilken på et bredt blad. Små orange tæer spreder sig ud, han viser sin hvide mave og brede røde øjne i lyset af flere forlygter. ”De har disse fotogene stillinger,” siger Warkentin. “Og de sidder bare der og lader dig tage et billede. De løber ikke væk. Nogle frøer er ligesom så nervøse. ” Måske er det derfor, at den rødøjede træfrø er blevet berømt med sit billede på så mange kalendere, foreslår jeg – de er lettere at fotografere end andre frøer. Hun retter mig: “De er sødere.”

Forskere tror, at forfædrene til moderne frøer alle lagde deres æg i vand. Måske kunne den rødøjede træfrø selv have udviklet sine bladlægningsvaner som en resultat af fænotypisk plasticitet. Måske døbte en forfader sig ved at lægge sine æg ud af vandet, kun på rigtig våde dage for at komme væk fra akvatiske rovdyr – en plastisk måde at håndtere et farligt miljø på – og det træk blev videregivet til dets efterkommere , som til sidst overhovedet mistede evnen til at lægge æg i vand.

Ingen ved, om det var sådan, det skete. ”Det var meget længe siden og ikke længere modtageligt for den slags eksperimenter,” siger Warkentin .

Men spændende eksperimenter med en anden slags frø – en der måske stadig navigerer overgangen mellem vand og land – er i gang. Justin Touchon, tidligere Warkentins ph.d.-studerende, studerer, hvordan timeglasfrøen, Dendropsophus ebraccatus, lægger sine æg, som er mindre fyldt med gelé og mere tilbøjelige til at tørre ud end rødøjede træfrøer. En kvindelig timeglasfrø ser ud til at vælge, hvor de skal lægge æg baseret på fugt. Ved damme skyggefuld af træer, fandt Touchon, at de lægger æg på blade over vandet, men ved varmere, mere udsatte damme går æggene i vandet.

I en undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste måned, sagde han fandt ud af, at æg var mere tilbøjelige til at overleve på land, hvis der var meget regn, og mere tilbøjelige til at overleve i vand, hvis nedbør var knap. Han kiggede også på regnoptegnelser for Gamboa i de sidste 39 år og fandt ud af, at mens den samlede nedbør ikke har ændret sig, har mønsteret: Stormene er større, men mere sporadiske. Denne ændring i miljøet kunne være med til at skabe en ændring i, hvordan timeglasfrøene reproducerer. “Det giver et vindue på, hvad der fik årsagen til, at bevægelsen reproducerer sig på land,” siger Touchon – et klima, der skiftede til meget regn, kunne have gjort det mere sikkert for frøer at lægge æg ud af vandet.

Warkentins gruppe er baseret på stueetagen på Gamboa Elementary School, der lukkede i 1980’erne. En morgen sidder Warkentin på en gammel drejestol med støvede arme ved et pensioneret kontorbord og gør det, der ligner en klasseskole. håndværksprojekt.

På gulvet til venstre sidder en hvid spand med rækker af grønne rektangler, der er klæbebåndet indvendigt. Hun rager ned og trækker en ud. Det er et stykke blad, skåret med en saks fra en af de bredbladede planter ved den eksperimentelle dam, og på den er en kobling af gelatinøse rødøjede træfrøæg. Hun river en stribe tape af og stikker bladstykket på et blåt plastrektangel, skåret af en plastik-picnicplade.

“Du kan gøre utrolig meget videnskab med engangsservise, tape og galvaniseret wire, ”siger hun.

Hun stiller kortet i en klar plastikbæger med lidt vand i bunden, hvor haletuderne falder, når de klækkes, og fortsætter til det næste stykke blad. Tadpoles vil være en del af nye rovdyrseksperimenter.

Der er stor forklaringsværdi i enkle modeller – men hun vil forstå, hvordan naturen rent faktisk fungerer. “Vi prøver at kæmpe med, hvad der er ægte,” siger hun. “Og virkeligheden er mere kompliceret.”