Karen Warkentin, magas olajzöld gumicsizmával, egy beton partján áll bélelt tó a panamai esőerdő szélén. Felhúz egy széles zöld levelet, amely még mindig egy ághoz van kötve, és rámutat egy zselés tojás fényes tengelykapcsolójára. “Ezek a srácok kikeltek” – mondja.

A vörös szemű levelibékák, az Agalychnis callidryas petéiket a lombozatra helyezik. tavak széle; amikor az ebihalak kikelnek, a vízbe esnek. Általában egy petesejt a rakás után hat-hét nappal kikel. Azok, amelyekre Warkentin mutat, méretükből és alakjukból ítélve, körülbelül öt naposak, – mondja apró testek a tiszta géllel töltött membránon keresztül. Mikroszkóp alatt a piros szívek csak láthatóak lennének.

Lenyúl, hogy megnedvesítse a kezét a tó vizében. nagyon szeretnék kikelni – mondja -, de tudnak. Kihúzza a levelet a víz fölé, és gyengéden az ujjával húzza a petesejteket.

Forgatás! Apró ebihal tör ki. Részben landol a levél alatt, megrándul és a vízbe esik. Egy másik és másik a testvérei következnek. “Nem unom meg, hogy nézem” – mondja Warkentin.

Csak ujjmozdulattal Warkentin megmutatta a biológiát átalakító jelenséget. Miután a évtizedek óta a géneket “tervként” gondolták – a kódolt DNS-szálak diktálják sejtjeinknek, hogy pontosan mit és mikor kell csinálni -, a biológusok megbékélnek egy zavaró valósággal. Az élet, még olyan látszólag egyszerű entitás is, mint egy békatojás, rugalmas. Lehetősége van. Körülbelül öt nap múlva a vörös szemű levelibéka-tojások, amelyek ütemterv szerint fejlődnek, hirtelen más utat léphetnek be, ha észlelik a támadó kígyó rezgéseit: Korán kikelnek és szerencsét próbálnak az alábbi tóban.

A tojás meglepő reakciókészsége a biológia forradalmi koncepcióját jelképezi, amelyet fenotípusos plaszticitásnak neveznek, vagyis azt a rugalmasságot, amelyet egy organizmus mutat génjeinek fizikai tulajdonságokká és cselekvésekké történő átalakításában. a génjein kívüli egyéb szervezet (amelyet a tudósok genotípusnak neveznek). A fenotípusos plaszticitás fogalma antidotumként szolgál a génekről szóló egyszerűsített ok-okozati gondolkodásra; megpróbálja elmagyarázni, hogy egy gén vagy génkészlet hogyan adhat több kimenetelre emelkedhet, részben attól függően, hogy a szervezet mit találkozik a környezetében. Az evolúció vizsgálata olyan régóta magukra a génekre összpontosít, hogy Warkentin szerint a tudósok azt feltételezték, hogy “az egyének különböznek, mert genetikailag különböznek. De a változatok nagy része a környezeti hatásokból származik.”

Ha egy szobanövény halványabb leveleket tesz a napsütésben, és egy vízibolha tüskéket növeszt az éhes halak ellen, fenotípusos plaszticitást mutatnak. A környezettől függően – akár kígyókkal, orkánokkal vagy élelmiszerhiánnyal küzdenek – az élőlények képesek hozzon létre különböző fenotípusokat. Természet vagy táplálék? Nos, mindkettő.

A megvalósításnak nagy következményei vannak a tudósok evolúcióról való gondolkodására. A fenotípusos plaszticitás megoldást kínál arra a döntő rejtvényre, hogy az organizmusok hogyan szándékosan alkalmazkodnak a környezeti kihívásokhoz. vagy sem. És nincs megdöbbentőbb példa a veleszületett rugalmasságra, mint ezek a békatojások – a vak vak tömegek genetikailag be vannak programozva, hogy úgy fejlődjenek és keljenek ki, mint az óramű. Vagy legalábbis úgy tűnt.

Vörös szem d A levelibékák kikerülték az éhes kígyókat sokáig, mire Warkentin 20 évvel ezelőtt elkezdte tanulmányozni a jelenséget. “Az emberek nem gondolták úgy, hogy a petesejtek képesek lennének megmutatni ezt a fajta plaszticitást” – mondja Mike Ryan, PhD-tanácsadója az Austini Texasi Egyetemen. “Nagyon világos volt, amikor PhD-t dolgozott, amikor ezt nagyon-nagyon gazdag terület volt, amelyet valahogy egyedül talált ki. ”

Karen Martin, a Pepperdine Egyetem biológusa szintén a kikelés plaszticitását tanulmányozza. “A kikelés valamilyen fenyegetés hatására nagyon fontos felismerés volt” – mondja Martin. “Azt hiszem, ő volt az első, akinek erre igazán jó példája volt.” Dicséri Warkentin kitartó erőfeszítéseit, hogy nagy biológiai tanulságokat tanuljon a békatojásokból: “Azt hiszem, sokan megnézhették ezt a rendszert és azt mondták:” Ez egyfajta furcsa dolog, amiből néhány papírt ki tudtam szerezni, és most “továbbmegyek, és megnézek egy másik állatot.” Elkötelezte magát ennek a rendszernek a megértése érdekében. “

Warkentin kutatásai” arra késztetnek minket, hogy alaposabban gondolkodjunk azon, hogy az élőlények az élet nagyon korai szakaszában hogyan reagálnak a kihívásokra “. – mondja Eldredge Bermingham, evolúciós biológus, a Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, ejtsd: “str-eye”) igazgatója Gamboában, Panamában. Warkentin, a Boston Egyetem biológia professzora terepi tanulmányait az STRI-n végzi. nekem, hogy a petéket kikeltetni kelti.

A nedves levélből ugró ebihalnak még mindig van egy kis sárgája a hasán; valószínűleg másfél napig nem kell enniük. Warkentin addig dörzsöli, amíg csak néhány marad, makacsul elrejtőzve a tojásaikban. “Menj tovább” – mondja nekik. “Nem akarlak egyedül hagyni itt.”

Az utolsó ebihal a vízben landol. Backswimmerek néven ismert ragadozó hibák várnak a felszínre, de Warkentin szerint megmentette a ebihalakat egy rosszabb sors elől. Anyjuk hiányolta a jelet, és egy levélre fektette őket, amely nem ért át a tó felett. “Ha a földön keltek volna ki” – mondja -, akkor csak hangyatáplálék lenne. “

***

Warkentin Ontarióban született, és családja 6 éves korában Kenyába költözött. Apja a Kanadai Nemzetközi Fejlesztési Ügynökséggel dolgozott együtt, hogy tanárokat képezzen az újonnan független országban. Ekkor érdeklődött a trópusi biológia iránt, kaméleonokkal játszott, és zsiráfokat, zebrákat és gazellákat nézett a nairobi iskolába vezető úton. Családja néhány évvel később visszatért Kanadába, de 20 évesen stoppolni és hátizsákozni indult egész Afrikában. “Ez teljesen ésszerűnek tűnt a családomban.” Mondja.

Mielőtt doktorált volna, Costa Ricába ment, hogy többet megtudjon a trópusokról és keressen egy kutatási témát. a szemű levelibéka földi tojásai felkeltették az érdeklődését. Újra és újra meglátogatta ugyanazt a tavat, és nézte. ne gondolja át – ha van egy késői szakasz kuplungja, ha beleütközik, akkor kikelnek rajtatok ”- mondja Warkentin. “Beütköztem egy tengelykapcsolóval, és mindannyian mentettek.”

Kígyókat is látott már a tónál. “Amit én gondoltam, hűha, kíváncsi vagyok, mi történne, ha egy kígyó ütközne hozzájuk – mondja, és nevet. – Mint a szájával? Valójában azt találta, hogy ha megjelenik egy kígyó, és támadni kezdi a tengelykapcsolót, a tojások korán kikelnek. A petékben lévő embriók még a kígyó és a levél egyéb rezgései között is meg tudják különböztetni. a mező és az állatok figyelése ”- mondja. “Olyan dolgokat fognak elmondani, amelyekre néha nem számított.”

A biológusok azt gondolták, hogy ez a fajta rugalmasság akadályozza az evolúció tanulmányozását – mondja Anurag Agrawal, a Cornelli Egyetem evolúciós ökológusa. izgalmas, hogy Warkentin csodálatos új dolgokat dokumentált egy karizmatikus békáról, de az Agrawal szerint még sok minden más van benne. “Úgy gondolom, hogy ő kap hitelt azért, mert túlmutat a” gee whiz “-en, és feltesz néhány fogalmi kérdést. az ökológiában és az evolúcióban. ”

Milyen előnyei vannak az egyik túlélési taktikának a másikkal szemben? Még egy 5 napos békának is egyensúlyba kell hoznia az éhes kígyó elkerülésének előnyeit a korai kelés költségével. Valójában Warkentin és kollégái dokumentálták, hogy a korán keltető ebihalak kevésbé voltak képesek túlélni felnőttkorukig, mint későn keltető testvéreik, különösen éhes szitakötő nimfák jelenlétében.

A plaszticitás nemcsak a békák pillanatnyilag megbirkóznak a kihívásokkal; akár időt is vásárolhat az evolúció megtörténésére. Warkentin megállapította, hogy a ebihalak is korán kelnek ki, ha fennáll a kiszáradás veszélye. Ha az esőerdő fokozatosan szárazabbá válik, az ilyen korai keltetés számtalan generáció után szabványossá válhat, és a béka elveszítheti plaszticitását, és új, gyorsan kikelő fajgá fejlődik.

Az evolúciós gondolkodás egyik alappillére hogy egy szervezet DNS-ben található véletlenszerű genetikai mutációk kulcsfontosságúak a kihíváshoz való alkalmazkodáshoz: Véletlenül megváltozik egy gén szekvenciája, megjelenik egy új tulajdonság, a szervezet továbbváltoztatja DNS-ét a következő generációhoz, és végül más faj. Ennek megfelelően több tízmillió évvel ezelőtt néhány szárazföldi emlős olyan mutációkat szerzett, amelyek alkalmazkodni engedték az óceán életéhez – utódai pedig azok a bálnák, akiket ismerünk és szeretünk. De a plaszticitás egy másik lehetőséget kínál: Magának a génnek nem kell mutálódnia ahhoz, hogy egy új tulajdonság felszínre kerüljön. Ehelyett valami a környezetben arra késztetheti a szervezetet, hogy változtasson a génjeiben már meglévő variációra támaszkodva.

Az biztos, hogy az az elmélet, miszerint a plaszticitás valóban új vonásokat eredményezhet, ellentmondásos. . Fő támogatója Mary Jane West-Eberhard, az STRI-hez kötődő úttörő elméleti biológus Costa Ricában, és a 2003-as befolyásos Developmental Plasticity and Evolution könyv szerzője. “A 20. századot a gén évszázadának nevezték” – mondja West-Eberhard. “A 21. század a környezet évszázadának ígérkezik.” Szerinte a mutációközpontú gondolkodás “evolúciós elmélet tagadásban”. Darwin, aki nem is tudta, hogy léteznek gének, igaza volt, azt mondja: nyitva hagyta annak lehetőségét, hogy a környezeti befolyás miatt új vonások merülhessenek fel.

West-Eberhard szerint Warkentin csoportja “meglepő képességet mutatott be az apró embriók számára, hogy adaptív döntéseket hozzanak a környezetükre való tökéletes érzékenység alapján.” West-Eberhard szerint ez a fajta változatosság “evolúciós diverzifikációhoz vezethet a populációk között.”

Bár nem mindenki ért egyet West-Eberhard elméletével arról, hogy a plaszticitás miként hozhatja létre az újdonságot, sok tudós úgy gondolja, hogy a fenotípusos plaszticitás akkor jelenik meg, ha az organizmusok változó környezetben élnek. A plaszticitás időt adhat a növényeknek és az állatoknak az alkalmazkodáshoz, ha teljesen új környezetbe kerülnek, például amikor egy magra fújnak egy szigetet. Az a mag, amelynek hőmérséklete és fényigénye nem olyan válogatós, jobban járhat egy új helyen – és lehet, hogy nem kell megvárnia, amíg adaptív mutáció következik be.

Ezen kívül sok tudós úgy gondolja, hogy a plaszticitás segíthet az organizmusoknak új fenotípusok kipróbálásában anélkül, hogy teljes mértékben elköteleznék magukat irántuk. Például korai keltetés. A különböző békafajok nagymértékben különböznek attól, hogy mennyire fejlettek, amikor kikelnek. Van, akinek farka faragott, és alig tud úszni; mások teljesen kialakult, négytagú állatok. – Hogyan szerezheti meg az efféle fejlett variációt? Warkentin megkérdezi: “Ebben szerepet játszik a kelési idő plaszticitása? Nem tudjuk, de ez teljesen lehetséges. ”

***

Gamboa városát 1934 és 1943 között építette a A Panama Canal Company, egy amerikai kormányzati vállalat, amely 1979-ig irányította a csatornát, amikor átadták Panamának. Gamboa, egy esőerdő szélén, részben szellemváros, részben hálószobás közösség Panama városának, részben tudományos nyári tábor. Jó néhány lakos tudós és alkalmazott az STRI-nél.

Amikor meglátogattam, Warkentin csapatában akár egy tucat ember is volt, köztük több egyetemista is, akit “gyereknek” nevez. Egy reggel erőteljes külsejű, térdig érő gumicsizmában, hátizsákban és sapkában élő fiatalok indulnak Warkentin laboratóriumából, és az iskola mögött, a teniszpályák mellett haladnak át.

James Vonesh, a A Virginia Nemzetközösségi Egyetem, aki posztdoktori ösztöndíjat végzett Warkentinnel és továbbra is együttműködik vele, rámutat kedvenc jelzésére a városban, a Canal Zóna korszakának tartóhelyére: “No Necking”. A régi úszómedence lelátóinak elejére festették, amely ma a helyi tűzoltók sportklubjának része. Aztán elmagyarázza az egyik gyereknek, hogy mit jelent a „nyakba vágás”.

Az utat bejárják az őshonos növények óvodájába, átkelnek egy árkon egy gyaloghídon és megérkeznek a Kísérleti Tóhoz. Warkentin és Stan Rand, az STRI tisztelt békakutatójának 2005-ben elhunyt specifikációi szerint.

A tó túlsó oldalán található a csoport kutatási területe, amelyet egyik oldalán árok és patak határol, majd egy esőerdő a másik oldalon. Van egy nyitott oldalú fémtetős istálló, körülötte több tucat 100 gallonos marhatartály, amelyet kísérletekben használnak. Úgy néznek ki, mint egy vödör, amely rendkívül nagy szivárgások sokaságának elkapására készült. Vonesh beszél a vízvezetékről a lehető legnagyobb lelkesedéssel. “Három-négy perc alatt megtölthetünk egy szarvasmarha-tartályt!” – kiáltja fel.

A gyors feltöltés azt jelenti, hogy a kutatók gyors kísérleteket végezhetnek, amelyekről más vízi ökológusok csak álmodozhatnak. Ma lebontják a ragadozás kísérletét. Négy napja 47 ebihalat tettek a 25 tartályba, egy Belostomatiddal együtt, egyfajta vízibogár, amely ebihalokat eszik. Ma megszámlálják az ebihalakat, hogy megtudják, mennyit ettek a Belostomatidák.

Óriási kék morfopillangó repül el, irizáló szárnyai az elektromos kék megdöbbentő fröccsét a buja, zöld erdőben. “Ugyanazon a helyen járnak ugyanabban a napszakban” – mondja Warkentin.

“Esküszöm, hogy ezt látom minden reggel” – mondja Vonesh.

” Ez a 9:15 morfó “- mondja Warkentin.

Warkentin elmagyarázza azt a kísérletet, amelyet ma befejeznek.” Tudjuk, hogy a ragadozók nyilvánvalóan megölik a zsákmányt, és meg is ijesztik a zsákmányt “- mondja. Amikor az újonnan kikelt ebihalak tóba esnek, a vízibogarak jelentik az egyik fenyegetést. Az ebihalok plaszticitása segíthet abban, hogy elkerüljék az elfogyasztást – ha képesek felismerni a hibákat és valahogy reagálni.

Az ökológusok matematikai egyenleteket dolgoztak ki, amelyek leírják, hogy egy ragadozó mennyi zsákmányt tudjon enni, és elegáns grafikonok mutatják, hogyan a népesség emelkedik és csökken, miközben az egyik megeszi a másikat. De mi történik valójában a természetben? A méret számít? Hány 1 napos ebihal eszik egy teljesen megnőtt vízi poloska? Hány idősebb, kövérebb ebihal? “Nyilvánvalóan azt gondoljuk, hogy az apró dolgokat könnyebb elkapni, megenni és a szájába ragadni” – mondja Vonesh. “De ezt valóban még az ilyen típusú alapmodellekbe sem építettük be.”

Hogy kitaláljuk hogy hány ebihal evett meg, az egyetemistáknak, a végzős hallgatóknak, a professzoroknak és a posztdoktori munkatársaknak meg kell számolniuk minden tankból az utolsó ebihalat.Vonesh átlátszó műanyag pohárkát vesz fel a földtől a lába mellett. Belül egy vízibogár volt, amely ebihalakon lakmározott. “Nagy srác” – mondja. Benyúl egy tartályba a hálóval, egyenként vagy kettőt kihúzva ebihalakat és egy sekély műanyag kádba téve őket.

“Készen állsz?” – kérdezi Randall Jimenez, a Costa Rica-i Nemzeti Egyetem végzős hallgatója.

“Készen állok” – mondja Vonesh. Vonesh tippel a tartályba, miközben Jimenez hálót tart a szivárgó víz alatt. A srácok figyelik a hálót minden olyan ebihalra, amelyet Vonesh hiányzott. – kérdezi Vonesh. “Nem” – mondja Jimenez. Majdnem 30 másodpercbe telik, amíg a víz kifolyik. A kutatók többsége magas gumicsizmát visel a kígyók elleni védelem érdekében, de hasznosak, mivel a talaj gyorsan sárré válik.

A rákcsapat kétségtelenül tévelyeg a fűben. “Szeretnek ebihalat enni” – mondja Vonesh. “Szeretnek lógni, és úgy tenni, mintha földigilisztákat keresnének, de amint hátat fordítasz, a kádadba kerülnek.”

Vonesh ebihal-kádját a fészerbe viszi, ahol Warkentin lefényképezi. Egy tanuló minden képen megszámolja az ebihalakat. Rovarok és madarak énekelnek a fákról. Valami leesik – megdől – a fémtetőn. Egy tehervonat fütyül a csatorna mellett futó vonat vágányairól; üvöltő majmok egy csoportja ugat a fáktól.

Az olyan tudósoknak, mint Warkentin, Gamboa egy kis esőerdőt kínál körülbelül egy órányi autóútra a nemzetközi repülőtértől. “Ó, istenem. Olyan egyszerű ”- mondja. “Fennáll annak a veszélye, hogy nem értékeljük, milyen csodálatos. Hihetetlen hely a munkavégzéshez.”

Napközben az ikonikus vörös szemű békák nem ugrálnak. Ha tudod, mi vagy keresi azt az alkalmi felnőtt férfit, aki halványzöld tablettadobozhoz hasonlóan ragaszkodik egy levélhöz – a lábak összecsukva, a könyök az oldalához szorítva a vízveszteség minimalizálása érdekében. A mecset faragott faablakának mintájú membrán borítja mindkét szemét.

Az igazi akció éjszaka, így egy este Warkentin, Vonesh és néhány vendég meglátogatja a tavat, hogy békát keressen. A madarak, rovarok és majmok csendesek, de kétéltű csicsergés és nyikorgás tölti be a levegőt. Az egyik béka felhívása tiszta, hangos “kopogás!” Egy másik pontosan úgy hangzik, mint egy sugárfegyver egy videojátékban. Az erdő vadabbnak érzi magát éjszaka.

Egy fészer közelében egy hím vörös szemű levelibéka tapad a széles levél szárához. Apró narancssárga lábujjak kinyújtva, fehér fényű hasát és széles vörös szemét mutatja a több fényszóró fényében. “Ezeknek a fotogén testhelyzeteik vannak” – mondja Warkentin. “És csak ülnek ott, és hagyják, hogy képet csinálj. Nem menekülnek. Néhány béka olyan ideges. Talán ezért vált híressé a vörös szemű levelibéka, aminek a képét sok naptárban javaslom – könnyebb fényképezni, mint más békákat. Helyesbít: “Aranyosak.” Lehetséges, hogy egy ős csak nagyon nedves napokon pottyantotta le petesejtjeit a vízből, hogy elkerülje a vízi ragadozókat – plasztikus módszer a veszélyes környezet kezelésére -, és ez a tulajdonság továbbjutott utódainak , amely végül egyáltalán elvesztette a tojásrakás képességét a vízben.

Senki sem tudja, hogy így történt-e. “Ez nagyon régen volt, és már nem volt alkalmas ilyen kísérletekre” – mondja Warkentin. .

De folynak az érdekes kísérletek egy másik békafajtával – amely még mindig a víz és a szárazföld közötti átmenetet keresi -. Justin Touchon, a Warkentin’s korábbi doktorandusz hallgatója azt tanulmányozza, hogy a homokóra levelibéka, a Dendropsophus ebraccatus miként rakja le tojásait, amelyek kevésbé vannak tele zselével és hajlamosabbak kiszáradni, mint a vörös szemű levelibékák ”. Úgy tűnik, hogy egy női homokóra fa béka a nedvesség alapján választja meg a tojásrakás helyét. A fák által árnyékolt tavaknál Touchon megállapította, hogy tojásokat raknak a víz fölötti levelekre, de a forróbb, jobban kitett tavaknál a tojások a vízbe kerülnek.

A múlt hónapban publikált tanulmányában megállapította, hogy a petesejtek nagyobb eséllyel élnek túl a szárazföldön, ha sok eső van, és nagyobb valószínűséggel maradnak életben a vízben, ha csapadék kevés. Megvizsgálta az elmúlt 39 év Gamboa esőrekordjait is, és megállapította, hogy bár az összes csapadékmennyiség nem változott, a mintázat megváltozott: A viharok nagyobbak, de szórványosabbak. Ez a környezetváltozás megváltoztathatja a homokóra levelibékáinak szaporodását. “Ablakot ad arról, hogy mi okozta a mozgás szaporodását a szárazföldön” – mondja Touchon – a sok állandó eső miatt változó éghajlat biztonságosabbá tehette volna a békák számára a tojásrakást a vízből.

Warkentin csoportja az 1980-as években bezárt Gamboa Általános Iskola földszintjén található. Egyik reggel Warkentin egy ősi forgószéken ül poros karokkal egy nyugdíjas irodai íróasztalnál, és úgy néz ki, mint egy általános iskola kézműves projekt.

A bal oldali padlón egy fehér vödör ül, belsejében csatornával ragasztott zöld téglalapokkal. Lenyúl és kihúz egyet. Ez egy darab levél, amelyet ollóval vágnak az egyik széles levelű növényből a kísérleti tó, és rajta egy kocsonyás vörös szemű levelibéka-tojás kuplungja. Letép egy szalagcsíkot, és a levéldarabot egy műanyag pikniklemezről kivágott kék műanyag téglalapra ragasztja. drót ”- mondja. Az ebihalok az új ragadozó kísérletek részei lesznek.

Az egyszerű modellek nagy magyarázó értékkel bírnak – de meg akarja érteni, hogy a természet valójában hogyan működik. “Megpróbálunk megbirkózni a valódival” – mondja. “És a valóság bonyolultabb.”