Karen Warkentin, portant de hautes bottes en caoutchouc vert olive, se tient sur la rive d’un béton -étang doublé au bord de la forêt tropicale panaméenne. Elle tire sur une large feuille verte toujours attachée à une branche et montre une couvée brillante d’œufs en gelée. «Ces types peuvent éclore», dit-elle.

Les grenouilles arboricoles aux yeux rouges, Agalychnis callidryas, pondent leurs œufs sur le feuillage au au bord des étangs; lorsque les têtards éclosent, ils tombent dans l’eau. Normalement, un œuf éclot six à sept jours après sa ponte. Ceux que Warkentin indique, à en juger par leur taille et leur forme, ont environ cinq jours, dit-elle. De minuscules corps transparaissent à travers la membrane transparente remplie de gel. Au microscope, les cœurs rouges seraient simplement visibles.

Elle descend la main pour mouiller sa main dans l’eau de l’étang. veulent vraiment éclore », dit-elle,« mais ils le peuvent. » Elle tire la feuille au-dessus de l’eau et passe doucement un doigt sur les œufs.

Sproing! Un petit têtard éclate. Il atterrit à mi-chemin sur la feuille, se tord et tombe dans l’eau. Un autre et un autre de « Ce n’est pas quelque chose que je me lasse de regarder », dit Warkentin.

D’un simple effleurement du doigt, Warkentin a démontré un phénomène qui transforme la biologie. Après des décennies à considérer les gènes comme un «modèle» – les brins d’ADN codés dictent à nos cellules exactement quoi faire et quand le faire – les biologistes se réconcilient avec une réalité déroutante. La vie, même une entité apparemment aussi simple qu’un œuf de grenouille, est flexible. Il a des options. À cinq jours environ, les œufs de grenouille arboricole aux yeux rouges, se développant comme prévu, peuvent soudainement prendre un chemin différent s’ils détectent les vibrations d’un serpent attaquant: ils éclosent tôt et tentent leur chance dans l’étang ci-dessous.

La réactivité surprenante de l’œuf incarne un concept révolutionnaire en biologie appelé plasticité phénotypique, qui est la flexibilité dont fait preuve un organisme pour traduire ses gènes en caractéristiques physiques et en actions. Le phénotype est à peu près tout un organisme autre que ses gènes (que les scientifiques appellent le génotype). Le concept de plasticité phénotypique sert d’antidote à la réflexion simpliste de cause à effet sur les gènes; il tente d’expliquer comment un gène ou un ensemble de gènes peut donner donnent lieu à de multiples résultats, en partie en fonction de ce que l’organisme rencontre dans son environnement. L’étude de l’évolution s’est si longtemps centrée sur les gènes eux-mêmes que, dit Warkentin, les scientifiques ont supposé que « les individus sont différents parce qu’ils sont génétiquement différents. Mais une grande partie de la variation vient des effets environnementaux. »

Lorsqu’une plante d’intérieur rend les feuilles plus pâles au soleil et qu’une puce d’eau fait pousser des épines pour se protéger contre les poissons affamés, elle montre une plasticité phénotypique. Selon l’environnement – qu’il y ait des serpents, des ouragans ou des pénuries alimentaires – les organismes peuvent faire ressortir différents phénotypes. Nature ou culture? Eh bien, les deux.

La prise de conscience a de grandes implications sur la façon dont les scientifiques pensent à l’évolution. La plasticité phénotypique offre une solution au puzzle crucial de la façon dont les organismes s’adaptent intentionnellement aux défis environnementaux ou pas. Et il n’ya pas d’exemple plus étonnant de flexibilité innée que ces œufs de grenouille – des masses aveugles de glu génétiquement programmées pour se développer et éclore comme sur des roulettes. Du moins le semblait-il.

Yeux rouges Les nouveau-nés de grenouilles arboricoles esquivaient les serpents affamés bien avant que Warkentin ne commence à étudier le phénomène il y a 20 ans. «Les gens n’avaient pas pensé que les œufs avaient la possibilité de montrer ce type de plasticité», déclare Mike Ryan, son doctorant à l’Université du Texas à Austin. «Il était très clair, alors qu’elle faisait sa thèse de doctorat, que cela était un domaine très, très riche qu’elle avait en quelque sorte inventé par elle-même. »

Karen Martin, biologiste à l’Université Pepperdine, étudie également la plasticité à couver. « Eclosion en réponse à une sorte de menace a été une idée très importante », dit Martin. « Je pense qu’elle a été la première à avoir un très bon exemple de cela. » Elle loue les efforts soutenus de Warkentin pour tirer de grandes leçons de biologie des œufs de grenouilles: « Je pense que beaucoup de gens ont peut-être regardé ce système et dit: ‘Voici une sorte de chose bizarre dont je pourrais tirer quelques papiers, et maintenant je Je vais passer à autre chose et regarder un autre animal. »Elle s’est consacrée à la compréhension de ce système.»

Les recherches de Warkentin «nous amènent à réfléchir plus attentivement à la manière dont les organismes répondent aux défis, même très tôt dans la vie». dit Eldredge Bermingham, biologiste évolutionniste et directrice du Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, prononcé « str-eye ») à Gamboa, Panama. Warkentin, professeur de biologie à l’Université de Boston, mène ses études sur le terrain au STRI. C’est là qu’elle a montré moi comment elle amène les œufs à éclore.

Les têtards sautant de la feuille mouillée ont encore un peu de jaune sur le ventre; ils n’auront probablement pas besoin de manger pendant un autre jour et demi. Warkentin continue de se frotter jusqu’à ce qu’il n’en reste plus que quelques-uns, se cachant obstinément à l’intérieur de leurs œufs. « Continuez, » leur dit-elle. « Je ne veux pas vous laisser ici tout seuls. »

Le dernier des têtards atterrit dans l’eau. Des insectes prédateurs connus sous le nom de backswimmers attendent à la surface, mais Warkentin dit qu’elle a sauvé les têtards d’un pire sort. Leur mère avait raté la marque, les posant sur une feuille qui n’atteignait pas l’étang. «S’ils éclosaient sur le sol», dit-elle, «alors ce ne serait que de la nourriture pour fourmis.»

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Warkentin est née en Ontario et sa famille a déménagé au Kenya quand elle avait 6 ans. Son père a travaillé avec l’Agence canadienne de développement international pour former des enseignants dans ce nouveau pays indépendant. C’est à ce moment-là qu’elle s’est intéressée à la biologie tropicale, à jouer avec des caméléons et à observer les girafes, les zèbres et les gazelles sur le chemin de l’école à Nairobi. Sa famille est revenue au Canada plusieurs années plus tard, mais à 20 ans, elle a fait de l’auto-stop et de la randonnée à travers l’Afrique. «C’était quelque chose qui semblait parfaitement raisonnable dans ma famille», dit-elle.

Avant de commencer son doctorat, elle est allée au Costa Rica pour en savoir plus sur les tropiques et chercher un sujet de recherche. Les œufs terrestres de grenouille arboricole aux yeux ont attiré son attention. Elle a visité le même étang maintes et maintes fois, et a regardé.

« J’ai eu l’expérience – que je suis sûr que d’autres herpétologues tropicaux ont eue avant et peut-être pas t pensez à – si vous avez un embrayage de stade avancé, si vous les cognez, ils vont éclore sur vous », dit Warkentin. « Je me suis cogné dans une embrayage, et ils étaient tous en train de renflouer. »

Elle avait également vu des serpents à l’étang. « Ce que je pensais était, wow, je me demande ce qui se passerait si un serpent les heurtait », Dit-elle en riant. « Comme, avec sa bouche? » En effet, elle a constaté que si un serpent apparaît et commence à attaquer la couvée, les œufs éclosent tôt. Les embryons à l’intérieur des œufs peuvent même faire la différence entre un serpent et d’autres vibrations sur la feuille. « C’est le truc, de sortir dans le champ et regarder les animaux », dit-elle. « Ils vous diront des choses auxquelles vous ne vous attendiez pas parfois. »

Les biologistes avaient l’habitude de penser que ce type de flexibilité empêchait l’étude de l’évolution, dit Anurag Agrawal, écologiste évolutionniste à l’Université Cornell. Non C’est passionnant que Warkentin ait documenté de nouvelles choses merveilleuses sur une grenouille charismatique, mais Agrawal dit qu’il y a beaucoup plus à faire. « Je pense qu’elle a le mérite de l’avoir poussé au-delà du ‘gee whiz’ et de poser certaines des questions conceptuelles dans l’écologie et l’évolution. »

Quels sont les avantages d’une tactique de survie par rapport à une autre? Même une grenouille âgée de 5 jours doit équilibrer l’avantage d’éviter un serpent affamé par rapport au coût de l’éclosion précoce. Et, en fait, Warkentin et ses collègues ont documenté que les têtards à éclosion précoce étaient moins susceptibles que leurs frères à éclosion tardive de survivre jusqu’à l’âge adulte, en particulier en présence de nymphes de libellules affamées.

La plasticité ne le permet pas seulement. les grenouilles font face aux défis du moment; cela pourrait même gagner du temps pour que l’évolution se produise. Warkentin a découvert que les têtards éclosent également tôt s’ils risquent de se dessécher. Si la forêt tropicale devenait progressivement plus sèche, une telle éclosion précoce pourrait devenir la norme après d’innombrables générations, et la grenouille pourrait perdre sa plasticité et évoluer vers une nouvelle espèce à éclosion rapide.

L’un des piliers de la pensée évolutionniste est que des mutations génétiques aléatoires dans l’ADN d’un organisme sont la clé pour s’adapter à un défi: par hasard, la séquence d’un gène change, un nouveau trait émerge, l’organisme transmet son ADN altéré à la génération suivante et donne finalement lieu à un autre espèce. En conséquence, il y a des dizaines de millions d’années, un mammifère terrestre a acquis des mutations qui lui ont permis de s’adapter à la vie dans l’océan – et ses descendants sont les baleines que nous connaissons et aimons. Mais la plasticité offre une autre possibilité: le gène lui-même n’a pas besoin de muter pour qu’un nouveau trait apparaisse. Au lieu de cela, quelque chose dans l’environnement pourrait pousser l’organisme à effectuer un changement en s’inspirant de la variation qui est déjà dans ses gènes.

Pour être sûr, la théorie selon laquelle la plasticité pourrait en fait donner naissance à de nouveaux traits est controversée . Son principal promoteur est Mary Jane West-Eberhard, une biologiste théorique pionnière au Costa Rica affiliée au STRI et auteur du livre influent de 2003 Developmental Plasticity and Evolution. « Le 20ème siècle a été appelé le siècle du gène », déclare West-Eberhard. « Le 21ème siècle promet d’être le siècle de l’environnement. » Elle dit que la pensée centrée sur les mutations est «une théorie évolutionniste du déni». Darwin, qui ne savait même pas que les gènes existaient, avait raison, dit-elle: Il a laissé ouverte la possibilité que de nouveaux traits puissent apparaître en raison de l’influence de l’environnement.

West-Eberhard dit que le groupe de Warkentin a « démontré une capacité surprenante des petits embryons à prendre des décisions adaptatives basées sur une sensibilité exquise à leur environnement. » Ce type de variation, dit West-Eberhard, « peut conduire à une diversification évolutive entre les populations. »

Bien que tout le monde ne soit pas d’accord avec la théorie de West-Eberhard sur la façon dont la plasticité pourrait apporter la nouveauté, de nombreux scientifiques pensent maintenant la plasticité phénotypique émergera lorsque les organismes vivront dans des environnements qui varient. La plasticité peut donner aux plantes et aux animaux le temps de s’adapter lorsqu’ils sont jetés dans un tout nouvel environnement, comme lorsque les graines sont soufflées sur une île. Une graine qui n’est pas aussi pointilleuse quant à sa température et ses besoins en lumière pourrait faire mieux dans un nouvel endroit – et pourrait ne pas avoir à attendre qu’une mutation adaptative se produise.

De plus, de nombreux scientifiques pensent que la plasticité peuvent aider les organismes à essayer de nouveaux phénotypes sans s’y engager entièrement. Éclosion précoce, par exemple. Les différentes espèces de grenouilles varient considérablement quant à leur degré de développement lorsqu’elles éclosent. Certains ont une queue trapue et peuvent à peine nager; d’autres sont des animaux entièrement formés, à quatre membres. « Comment obtenez-vous ce genre de variation évoluée? » Warkentin demande: «La plasticité du temps d’éclosion joue-t-elle un rôle dans cela? Nous ne savons pas, mais c’est tout à fait possible. »

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La ville de Gamboa a été construite entre 1934 et 1943 par le Panama Canal Company, une société gouvernementale américaine qui contrôlait le canal jusqu’en 1979, date à laquelle il a été cédé au Panama. Gamboa, à la lisière d’une forêt tropicale, est en partie une ville fantôme, une communauté de chambres à coucher pour la ville de Panama et un camp d’été scientifique. Un bon nombre de résidents sont des scientifiques et du personnel du STRI.

Lors de ma visite, l’équipe de Warkentin comptait jusqu’à une douzaine de personnes, y compris plusieurs étudiants de premier cycle qu’elle appelle «les enfants». Un matin, une troupe de jeunes gens vigoureux portant des bottes en caoutchouc, des sacs à dos et des chapeaux, quitte le laboratoire de Warkentin et traverse le terrain derrière l’école, devant les courts de tennis.

James Vonesh, professeur à La Virginia Commonwealth University, qui a fait un stage postdoctoral avec Warkentin et collabore toujours avec elle, souligne son signe préféré en ville, un vestige de l’ère de la zone du canal: « No Necking. » Il est peint sur le devant des gradins de l’ancienne piscine, qui fait maintenant partie du club de sport des pompiers locaux. Ensuite, il explique à l’un des enfants ce que signifie «étrangler».

Ils marchent sur une route menant à une pépinière de plantes indigènes, traversent un fossé sur une passerelle et arrivent à Experimental Pond. Il a été construit en béton selon les spécifications fournies par Warkentin et Stan Rand, un chercheur de grenouilles vénéré au STRI, décédé en 2005.

De l’autre côté de l’étang se trouve la zone de recherche du groupe, délimitée par un fossé d’un côté et un ruisseau, puis la forêt tropicale, de l’autre. Il y a un hangar au toit en métal avec des côtés ouverts, entouré de dizaines de réservoirs de bétail de 100 gallons utilisés dans les expériences. Ils ressemblent à des seaux destinés à attraper une série de fuites extrêmement importantes. Vonesh parle de la plomberie avec plus d’enthousiasme qu’il n’y paraît possible. « Nous pouvons remplir un réservoir de bétail en trois ou quatre minutes! » s’exclame-t-il.

Tout ce remplissage rapide signifie que les chercheurs peuvent faire des expériences rapides dont d’autres écologistes aquatiques ne peuvent que rêver. Aujourd’hui, ils démantèlent une expérience sur la prédation. Il y a quatre jours, 47 têtards ont été mis dans chacun des 25 réservoirs avec un Belostomatid, une sorte de punaise d’eau qui mange les têtards. Aujourd’hui, ils compteront les têtards pour savoir combien de Belostomatidés ont mangé.

Un papillon morpho bleu géant passe à côté, ses ailes irisées un éclatant de bleu électrique contre la forêt verdoyante. « Ils viennent, comme, au même endroit à la même heure de la journée », dit Warkentin.

« Je jure que je vois celui-là tous les matins, » dit Vonesh.

 » C’est le morpho de 9h15 », dit Warkentin.

Warkentin explique l’expérience qu’ils terminent aujourd’hui.« Nous savons que les prédateurs tuent des proies, évidemment, et ils font aussi peur aux proies », dit-elle. Lorsque des têtards nouvellement éclos tombent dans un étang, les punaises d’eau sont l’une des menaces auxquelles ils sont confrontés. La plasticité des têtards pourrait les aider à éviter d’être mangés, s’ils peuvent détecter les bogues et réagir d’une manière ou d’une autre.

Les écologistes ont développé des équations mathématiques décrivant la quantité de proies qu’un prédateur devrait pouvoir manger, et des graphiques élégants montrent comment les populations augmentent et diminuent au fur et à mesure que l’une mange l’autre. Mais que se passe-t-il vraiment dans la nature? La taille compte-t-elle? Combien de têtards d’un jour un insecte aquatique adulte mange-t-il? Combien de têtards plus vieux et plus gros? « De toute évidence, nous pensons que les petites choses sont plus faciles à attraper, à manger et à se coller dans la bouche », dit Vonesh. « Mais nous n’avons vraiment pas intégré cela même dans ce type de modèles de base. »

combien de têtards ont été mangés, les étudiants de premier cycle, les étudiants diplômés, les professeurs et un stagiaire postdoctoral doivent extraire chaque dernier têtard de chaque réservoir pour être comptés.Vonesh prend un verre en plastique transparent du sol à ses pieds. À l’intérieur se trouve un insecte de l’eau qui se régalait de têtards. «C’est un grand gars», dit-il. Il atteint un réservoir avec le filet, en sortant les têtards un ou deux à la fois et en les mettant dans une cuve en plastique peu profonde.

«Vous êtes prêt?» demande Randall Jimenez, étudiant diplômé de l’Université nationale du Costa Rica.

« Je suis prêt, » dit Vonesh. Vonesh fait basculer le réservoir pendant que Jimenez tient un filet sous l’eau jaillissante. Les gars regardent le filet pour tous les têtards que Vonesh a ratés. « Vous voyez quelqu’un? » Demande Vonesh. « Non, » dit Jimenez. Il faut près de 30 secondes pour que l’eau s’écoule. La plupart des chercheurs portent de hautes bottes en caoutchouc pour se protéger des serpents, mais elles sont utiles car le sol se transforme rapidement en boue.

Un troupeau de quiscales erre nonchalamment dans l’herbe. «Ils aiment manger des têtards», dit Vonesh. « Ils aiment traîner et faire semblant de chercher des vers de terre, mais dès que vous leur tournez le dos, ils sont dans votre baignoire. »

Vonesh emmène sa baignoire de têtards dans le hangar où Warkentin le photographie. Un élève comptera les têtards dans chaque image. Les insectes et les oiseaux chantent dans les arbres. Quelque chose tombe – plink – sur le toit en métal. Un train de marchandises siffle de la voie ferrée qui longe le canal; un groupe de singes hurleurs aboie une réponse bruyante des arbres.

Aux scientifiques comme Warkentin, Gamboa offre un peu de forêt tropicale à environ une heure de route d’un aéroport international. « Oh, mon Dieu. C’est tellement facile », dit-elle. « Il y a un risque de ne pas apprécier à quel point c’est incroyable. C’est un lieu de travail incroyable. »

Pendant la journée, les grenouilles emblématiques aux yeux rouges ne sautillent pas. Si vous savez ce que vous êtes à la recherche, vous pouvez trouver le mâle adulte occasionnel accroché à une feuille comme un casemate vert pâle – les jambes repliées, les coudes repliés à ses côtés pour minimiser la perte d’eau. Une membrane aux motifs de la moustiquaire en bois sculpté d’une mosquée couvre chaque œil.

La vraie action se déroule la nuit, alors un soir, Warkentin, Vonesh et quelques invités visitent l’étang à la recherche de grenouilles. Les oiseaux, les insectes et les singes sont calmes, mais les amphibiens pépient et grincent dans l’air. Le cri d’une grenouille est un « coup-coup! » clair et fort! Un autre sonne exactement comme un pistolet à rayons dans un jeu vidéo. La forêt est plus sauvage la nuit.

Près d’un hangar, une grenouille arboricole mâle aux yeux rouges s’accroche à la tige d’une large feuille. Minuscules orteils orange écartés, il montre son ventre blanc et ses grands yeux rouges à la lumière de multiples lampes frontales. «Ils ont ces postures photogéniques», dit Warkentin. «Et ils s’assoient juste là et vous laissent prendre une photo. Ils ne s’enfuient pas. Certaines grenouilles sont tellement nerveuses. C’est peut-être pour cette raison que la grenouille arboricole aux yeux rouges est devenue célèbre, avec sa photo sur tant de calendriers, je suggère – elles sont plus faciles à photographier que les autres grenouilles. Elle me corrige: « Ils sont plus mignons. »

Les scientifiques pensent que les ancêtres des grenouilles modernes ont tous pondu leurs œufs dans l’eau. Peut-être que la rainette aux yeux rouges elle-même aurait pu évoluer dans ses habitudes de ponte en tant que résultat de la plasticité phénotypique. Peut-être qu’un ancêtre a-t-il essayé de pondre ses œufs hors de l’eau, seulement les jours très humides, pour s’éloigner des prédateurs aquatiques – une façon plastique de gérer un environnement dangereux – et ce trait a été transmis à ses descendants , qui a finalement perdu la capacité de pondre des œufs dans l’eau.

Personne ne sait si c’est ainsi que cela s’est passé. « C’était il y a très longtemps et cela ne se prêtait plus à ce genre d’expériences », dit Warkentin .

Mais des expériences intrigantes sur un autre type de grenouille – qui pourrait encore naviguer dans la transition entre l’eau et la terre – sont en cours. Justin Touchon, ancien doctorant de Warkentin, étudie comment la grenouille sablière, Dendropsophus ebraccatus, pond ses œufs, qui sont moins remplis de gelée et plus susceptibles de se dessécher que les rainettes aux yeux rouges ». Une grenouille sablier femelle semble choisir où pondre ses œufs en fonction de l’humidité. Dans les étangs ombragés par les arbres, a découvert Touchon, ils pondent des œufs sur les feuilles au-dessus de l’eau, mais dans les étangs plus chauds et plus exposés, les œufs vont dans l’eau.

Dans une étude publiée le mois dernier, il ont constaté que les œufs étaient plus susceptibles de survivre sur terre en cas de pluie abondante, et plus susceptibles de survivre dans l’eau si les précipitations étaient rares. Il a également examiné les records de pluie pour Gamboa au cours des 39 dernières années et a constaté que si les précipitations globales n’ont pas changé, le schéma a été le suivant: Les tempêtes sont plus importantes mais plus sporadiques. Ce changement dans l’environnement pourrait entraîner un changement dans la façon dont les grenouilles sablières se reproduisent. «Cela donne une fenêtre sur ce qui a provoqué le mouvement de reproduction sur terre», dit Touchon – un climat qui a changé pour avoir beaucoup de pluie régulière aurait pu rendre plus sûr pour les grenouilles de pondre des œufs hors de l’eau.

Le groupe de Warkentin est basé au rez-de-chaussée de l’école élémentaire Gamboa, qui a fermé ses portes dans les années 1980. Un matin, Warkentin est assis sur une ancienne chaise pivotante aux bras poussiéreux devant un bureau à la retraite, faisant ce qui ressemble à une école primaire projet artisanal.

Sur le sol à sa gauche se trouve un seau blanc avec des rangées de rectangles verts scotchés à l’intérieur. Elle se penche et en sort un. C’est un morceau de feuille, coupé avec des ciseaux de l’une des plantes à larges feuilles de l’étang expérimental, et sur lequel se trouve une couvée d’œufs de grenouille gélatineuse aux yeux rouges. Elle arrache une bande de ruban adhésif et colle le morceau de feuille sur un rectangle en plastique bleu, découpé dans une assiette de pique-nique en plastique.

« Vous pouvez faire une quantité incroyable de science avec de la vaisselle jetable, du ruban adhésif et du papier galvanisé. fil », dit-elle.

Elle place la carte dans un gobelet en plastique transparent avec un peu d’eau dans le fond, là où les têtards tomberont lorsqu’ils éclosent, et passe au morceau de feuille suivant. Les têtards feront partie de nouvelles expériences de prédation.

Les modèles simples ont une grande valeur explicative, mais elle veut comprendre comment la nature fonctionne réellement. « Nous essayons de nous attaquer à ce qui est réel », dit-elle. « Et la réalité est plus compliquée. »