Karen Warkentin, con indosso alti stivali di gomma verde oliva, si trova sulla riva di un cemento stagno ai margini della foresta pluviale panamense. Tira una larga foglia verde ancora attaccata a un ramo e indica un gruppo di uova gelatinose. “Questi ragazzi sono schiudibili”, dice.

Raganelle dagli occhi rossi, Agalychnis callidryas, depongono le uova sul fogliame al bordo di stagni; quando i girini si schiudono, cadono in acqua. Normalmente, un uovo si schiude da sei a sette giorni dopo essere stato deposto. Quelli a cui Warkentin sta indicando, a giudicare dalla loro dimensione e forma, hanno circa cinque giorni, dice. Piccoli corpi si vedono attraverso la membrana trasparente riempita di gel. Al microscopio, i cuori rossi sarebbero appena visibili.

Si allunga per bagnarsi la mano nell’acqua dello stagno. ” vogliono davvero schiudersi “, dice,” ma possono “. Tira fuori la foglia sull’acqua e fa scorrere delicatamente un dito sulle uova.

Germogliando! Si apre un piccolo girino. Atterra a metà della foglia, si contorce e cade nell’acqua. Un altro e un altro di seguono i suoi fratelli. “Non è qualcosa che mi stanco di guardare”, dice Warkentin.

Con un semplice movimento del dito, Warkentin ha dimostrato un fenomeno che sta trasformando la biologia. Dopo decenni passati a pensare ai geni come a un “modello” – i filamenti di DNA codificati dettano alle nostre cellule esattamente cosa fare e quando farlo – i biologi stanno facendo i conti con una realtà confusa. La vita, anche un’entità apparentemente semplice come un uovo di rana, è flessibile. Ha delle opzioni. Dopo circa cinque giorni, le uova di raganella dagli occhi rossi, che si sviluppano esattamente nei tempi previsti, possono improvvisamente prendere una strada diversa se rilevano vibrazioni da un serpente che attacca: si schiudono presto e tentano la fortuna nello stagno sottostante.

La sorprendente reattività dell’uovo incarna un concetto rivoluzionario in biologia chiamato plasticità fenotipica, che è la flessibilità che un organismo mostra nel tradurre i suoi geni in caratteristiche fisiche e azioni. Il fenotipo è praticamente tutto ciò che riguarda un organismo diverso dai suoi geni (che gli scienziati chiamano genotipo). Il concetto di plasticità fenotipica serve come antidoto al semplicistico pensiero causa-effetto sui geni; cerca di spiegare come un gene o un insieme di geni può dare dare origine a molteplici risultati, in parte a seconda di ciò che l’organismo incontra nel suo ambiente. Lo studio dell’evoluzione è stato così a lungo incentrato sui geni stessi che, dice Warkentin, gli scienziati hanno presunto che “gli individui sono diversi perché sono geneticamente diversi. Ma molte delle variazioni là fuori derivano dagli effetti ambientali”.

Quando una pianta d’appartamento rende le foglie più pallide al sole e una pulce d’acqua cresce spine per proteggersi dai pesci affamati, stanno mostrando plasticità fenotipica. A seconda dell’ambiente, se ci sono serpenti, uragani o carenza di cibo da affrontare, gli organismi possono far emergere fenotipi diversi. Natura o educazione? Beh, entrambi.

La realizzazione ha grandi implicazioni per il modo in cui gli scienziati pensano all’evoluzione. La plasticità fenotipica offre una soluzione al cruciale puzzle di come gli organismi si adattano alle sfide ambientali, intenzionalmente o no. E non c’è esempio più sorprendente di flessibilità innata di queste uova di rana: masse cieche di sostanza appiccicosa geneticamente programmate per svilupparsi e schiudersi come un orologio. O almeno così sembrava.

Occhi rossi I cuccioli di raganella stavano schivando serpenti affamati molto tempo prima che Warkentin iniziasse a studiare il fenomeno 20 anni fa. “La gente non aveva pensato che le uova avessero la possibilità di mostrare questo tipo di plasticità”, dice Mike Ryan, il suo dottore di ricerca presso l’Università del Texas ad Austin. “Era molto chiaro, mentre stava facendo la sua tesi di dottorato, che questo era un campo molto, molto ricco che aveva in qualche modo inventato da sola. “

Anche Karen Martin, biologa alla Pepperdine University, studia la plasticità della schiusa. “La schiusa in risposta a un qualche tipo di minaccia è stata un’intuizione molto importante”, dice Martin. “Penso che sia stata la prima ad avere un ottimo esempio di questo”. Ella elogia il continuo sforzo di Warkentin per imparare grandi lezioni di biologia dalle uova di rana: “Penso che molte persone potrebbero aver guardato questo sistema e aver detto: ‘Questa è una specie di cosa bizzarra da cui potrei tirare fuori alcuni documenti, e ora io andrò avanti e guarderò qualche altro animale. “Si è dedicata alla comprensione di questo sistema”.

La ricerca di Warkentin “ci porta a pensare più attentamente a come gli organismi rispondono alle sfide anche molto presto nella vita”, afferma Eldredge Bermingham, biologa evoluzionista e direttrice dello Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, pronunciato “str-eye”) a Gamboa, Panama. Warkentin, professoressa di biologia alla Boston University, conduce i suoi studi sul campo alla STRI. È lì che ha dimostrato a me come convince le uova a schiudersi.

I girini che saltano dalla foglia bagnata hanno ancora un po ‘di tuorlo sulla pancia; probabilmente non avranno bisogno di mangiare per un altro giorno e mezzo. Warkentin continua a sfregare finché ne rimangono solo pochi, nascondendosi ostinatamente nelle loro uova. “Avanti,” dice loro. “Non voglio lasciarvi qui da soli”.

L’ultimo dei girini finisce nell’acqua. Insetti predatori noti come backswimmers aspettano in superficie, ma Warkentin dice di aver salvato i girini da un destino peggiore. La loro madre aveva mancato il bersaglio, posandoli su una foglia che non raggiungeva lo stagno. “Se si schiudessero a terra”, dice, “allora sarebbero solo cibo per formiche”.

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Warkentin è nata in Ontario e la sua famiglia si è trasferita in Kenya quando aveva 6 anni. Suo padre ha lavorato con l’Agenzia canadese per lo sviluppo internazionale per formare insegnanti nel paese appena indipendente. Fu allora che si interessò alla biologia tropicale, giocando con i camaleonti e guardando giraffe, zebre e gazzelle mentre andava a scuola a Nairobi. La sua famiglia è tornata in Canada diversi anni dopo, ma a 20 anni ha fatto l’autostop e lo zaino in spalla attraverso l’Africa. “Era qualcosa che sembrava perfettamente ragionevole nella mia famiglia”, dice.

Prima di iniziare il suo dottorato di ricerca, è andata in Costa Rica per saperne di più sui tropici e cercare un argomento di ricerca. le uova terrestri della raganella dagli occhi hanno attirato il suo interesse. Ha visitato lo stesso stagno più e più volte e ha guardato.

“Ho avuto l’esperienza, che sono sicuro che altri erpetologi tropicali hanno avuto prima e forse no” Non pensare: se hai una frizione in fase avanzata, se le incontri, ti schiuderanno addosso “, dice Warkentin. “Mi sono imbattuto in una frizione, e tutti stavano tirando fuori”.

Aveva anche visto dei serpenti allo stagno. “Quello che pensavo era, wow, mi chiedo cosa sarebbe successo se un serpente li avesse urtati “, Dice e ride. “Tipo, con la sua bocca?” In effetti, ha scoperto che se appare un serpente e inizia ad attaccare la covata, le uova si schiudono presto. Gli embrioni all’interno delle uova possono persino dire la differenza tra un serpente e altre vibrazioni sulla foglia. “Questo è il punto, uscire dentro il campo e osservare gli animali “, dice. “A volte ti diranno cose che non ti aspettavi”.

I biologi pensavano che questo tipo di flessibilità ostacolasse lo studio dell’evoluzione, afferma Anurag Agrawal, ecologista evoluzionista della Cornell University. No È emozionante che Warkentin abbia documentato cose nuove e meravigliose su una rana carismatica, ma Agrawal dice che c’è molto di più in essa. “Penso che lei abbia il merito di averlo portato oltre il” gee whiz “e di aver posto alcune delle domande concettuali in ecologia ed evoluzione. “

Quali sono i vantaggi di una tattica di sopravvivenza rispetto a un’altra? Anche una rana di 5 giorni deve bilanciare il vantaggio di evitare un serpente affamato con il costo della schiusa precoce. E, infatti, Warkentin e i suoi colleghi hanno documentato che i girini da cova precoce avevano meno probabilità di sopravvivere fino all’età adulta rispetto ai loro fratelli da cova tardiva, in particolare in presenza di ninfe libellule affamate.

La plasticità non consente solo le rane affrontano le sfide del momento; potrebbe anche far guadagnare tempo perché l’evoluzione avvenga. Warkentin ha scoperto che anche i girini si schiudono presto se rischiano di seccarsi. Se la foresta pluviale diventasse gradualmente più secca, una schiusa così precoce potrebbe diventare standard dopo innumerevoli generazioni e la rana potrebbe perdere la sua plasticità ed evolversi in una nuova specie dalla schiusa rapida.

Uno dei pilastri del pensiero evolutivo è che le mutazioni genetiche casuali nel DNA di un organismo sono la chiave per adattarsi a una sfida: per caso, la sequenza di un gene cambia, emerge un nuovo tratto, l’organismo trasmette il suo DNA alterato alla generazione successiva e dà origine infine a un diverso specie. Di conseguenza, decine di milioni di anni fa, alcuni mammiferi terrestri hanno acquisito mutazioni che gli hanno permesso di adattarsi alla vita nell’oceano e i suoi discendenti sono le balene che conosciamo e amiamo. Ma la plasticità offre un’altra possibilità: il gene stesso non deve mutare per far emergere un nuovo tratto. Invece, qualcosa nell’ambiente potrebbe spingere l’organismo a fare un cambiamento attingendo alla variazione che è già nei suoi geni.

Per essere sicuri, la teoria secondo cui la plasticità potrebbe effettivamente dare origine a nuovi tratti è controversa . Il suo principale sostenitore è Mary Jane West-Eberhard, una biologa teorica pioniera in Costa Rica affiliata a STRI e autrice dell’influente libro del 2003 Developmental Plasticity and Evolution. “Il XX secolo è stato chiamato il secolo del gene”, afferma West-Eberhard. “Il 21 ° secolo promette di essere il secolo dell’ambiente”. Dice che il pensiero incentrato sulla mutazione è “una teoria evolutiva nella negazione”. Darwin, che non sapeva nemmeno che i geni esistessero, aveva ragione, dice: ha lasciato aperta la possibilità che potessero sorgere nuovi tratti a causa dell’influenza ambientale.

West-Eberhard afferma che il gruppo di Warkentin ha “dimostrato una sorprendente capacità di piccoli embrioni di prendere decisioni adattive basate su una squisita sensibilità al loro ambiente”. Questo tipo di variazione, afferma West-Eberhard, “può portare alla diversificazione evolutiva tra le popolazioni”.

Sebbene non tutti siano d’accordo con la teoria di West-Eberhard su come la plasticità possa portare novità, molti scienziati ora pensano che la plasticità fenotipica emergerà quando gli organismi vivono in ambienti che variano. La plasticità può dare alle piante e agli animali il tempo di adattarsi quando vengono scaricati in un ambiente completamente nuovo, come quando i semi vengono soffiati su un’isola. Un seme che non è così esigente per quanto riguarda i suoi requisiti di temperatura e luce potrebbe fare meglio in un posto nuovo e potrebbe non dover aspettare che arrivi una mutazione adattativa.

Inoltre, molti scienziati pensano che la plasticità può aiutare gli organismi a provare nuovi fenotipi senza esserne completamente impegnati. Ad esempio, la schiusa precoce. Diverse specie di rane variano notevolmente nel modo in cui sono sviluppate quando si schiudono. Alcuni hanno una coda tozza e riescono a malapena a nuotare; altri sono animali completamente formati, a quattro zampe. “Come si ottiene quel tipo di variazione evoluta?” Warkentin chiede: “La plasticità nel tempo della schiusa gioca un ruolo in questo? Non lo sappiamo, ma è del tutto possibile. “

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La città di Gamboa è stata costruita tra il 1934 e il 1943 dal Panama Canal Company, una società del governo degli Stati Uniti che controllava il canale fino al 1979, quando fu ceduto a Panama. Gamboa, ai margini di una foresta pluviale, è in parte città fantasma, in parte comunità di camere da letto per Panama City e in parte campo estivo scientifico. Parecchi residenti sono scienziati e personale dello STRI.

Quando ho visitato, il team di Warkentin aveva fino a una dozzina di persone, compresi diversi studenti universitari che lei chiama “i bambini”. Una mattina un gruppo di giovani dall’aspetto vigoroso con stivali di gomma alti fino al ginocchio, zaini e cappelli parte dal laboratorio di Warkentin e attraversa a grandi passi il campo dietro la scuola, oltre i campi da tennis.

James Vonesh, professore a Virginia Commonwealth University, che ha fatto una borsa di studio post-dottorato con Warkentin e collabora ancora con lei, sottolinea il suo segno preferito in città, un residuo dell’era della Zona del Canale: “No Necking”. È dipinto sulla parte anteriore degli spalti presso la vecchia piscina, ora parte del club sportivo dei vigili del fuoco locale. Poi spiega a uno dei bambini cosa significa “stronzo”.

Percorrono una strada fino a un vivaio di piante autoctone, attraversano un fosso su una passerella e arrivano allo stagno sperimentale. Era costruito in cemento secondo le specifiche fornite da Warkentin e Stan Rand, un venerato ricercatore di rane presso lo STRI, morto nel 2005.

Sul lato opposto dello stagno si trova l’area di ricerca del gruppo, delimitata da un fosso su un lato e da un ruscello, poi la foresta pluviale, dall’altro. C’è un capannone con tetto in metallo con lati aperti, circondato da dozzine di serbatoi di bestiame da 100 galloni utilizzati negli esperimenti. Sembrano secchi destinati a raccogliere una serie di perdite estremamente grandi. Vonesh parla delle tubature sistema con più entusiasmo di quanto sembri possibile. “Possiamo riempire un serbatoio di bestiame in tre o quattro minuti!” esclama.

Tutto quel riempimento veloce significa che i ricercatori possono fare esperimenti veloci che altri ecologisti acquatici possono solo sognare. Oggi stanno smantellando un esperimento sulla predazione. Quattro giorni fa, 47 girini sono stati messi in ciascuna delle 25 vasche insieme a un Belostomatid, una specie di insetto acquatico che mangia i girini. Oggi conteranno i girini per scoprire quanti hanno mangiato i Belostomatidi.

Una gigantesca farfalla morfo blu vola via, le sue ali iridescenti sono uno schizzo scioccante di blu elettrico contro la lussureggiante foresta verde. “Vengono tipo, nello stesso posto alla stessa ora del giorno”, dice Warkentin.

“Giuro che lo vedo ogni mattina”, dice Vonesh.

” È il morfo delle 9:15 “, dice Warkentin.

Warkentin spiega l’esperimento che stanno terminando oggi.” Sappiamo che i predatori uccidono le prede, ovviamente, e spaventano anche le prede “, dice. Quando i girini appena nati cadono in uno stagno, gli insetti acquatici sono una delle minacce che devono affrontare. La plasticità dei girini potrebbe aiutarli a evitare di essere mangiati, se riescono a rilevare gli insetti e in qualche modo a rispondere.

Gli ecologi hanno sviluppato equazioni matematiche che descrivono la quantità di prede che un predatore dovrebbe essere in grado di mangiare, e grafici eleganti mostrano come le popolazioni aumentano e diminuiscono man mano che una mangia l’altra. Ma cosa succede veramente in natura? Le dimensioni contano? Quanti girini di 1 giorno mangia un insetto acquatico adulto? Quanti girini più vecchi e più grassi? “Ovviamente, pensiamo che le piccole cose siano più facili da catturare, mangiare e infilarti in bocca”, dice Vonesh. “Ma non l’abbiamo davvero incorporato nemmeno in questo tipo di modelli di base.”

Per capire Per sapere quanti girini sono stati mangiati, gli studenti universitari, i dottorandi, i professori e un borsista devono tirare fuori ogni ultimo girino da ogni vasca per essere contati.Vonesh prende un bicchiere di plastica trasparente da terra ai suoi piedi. Dentro c’è un insetto d’acqua che stava banchettando con i girini. “È un tipo grosso”, dice. Con la rete entra in una vasca, estraendo i girini uno o due alla volta e mettendoli in una vasca di plastica poco profonda.

“Sei pronto?” chiede Randall Jimenez, uno studente laureato alla National University of Costa Rica.

“Sono pronto”, dice Vonesh. Vonesh punta il serbatoio mentre Jimenez tiene una rete sotto l’acqua zampillante. I ragazzi guardano la rete per i girini che Vonesh ha mancato. “Vedi qualcuno?” Chiede Vonesh. “No”, dice Jimenez. Ci vogliono quasi 30 secondi perché l’acqua fuoriesca. La maggior parte dei ricercatori indossa stivali di gomma alti per proteggersi dai serpenti, ma sono utili quando il terreno si trasforma rapidamente in fango.

Uno stormo di grackles vaga con nonchalance nell’erba. “A loro piace mangiare i girini”, dice Vonesh. “A loro piace passare il tempo e fingere che stiano cercando i lombrichi, ma non appena giri le spalle, sono nella tua vasca.”

Vonesh porta la sua vasca di girini nel capanno dove Warkentin fotografa. Uno studente conterà i girini in ogni immagine. Insetti e uccelli cantano dagli alberi. Qualcosa cade, un tintinnio, sul tetto di metallo. Un treno merci fischia dai binari del treno che costeggiano il canale; un gruppo di scimmie urlatrici abbaia una risposta rauca dagli alberi.

A scienziati come Warkentin, Gamboa offre un po ‘di foresta pluviale a circa un’ora di macchina da un aeroporto internazionale. “Oh, mio dio. È così facile “, dice. “C’è il pericolo di non apprezzare quanto sia sorprendente. È un posto incredibile in cui lavorare.”

Durante il giorno, le iconiche rane dagli occhi rossi non saltellano. Se sai cosa sei cercando, puoi trovare occasionalmente un maschio adulto aggrappato a una foglia come un portapillole verde chiaro: le gambe piegate, i gomiti piegati al suo fianco per ridurre al minimo la perdita d’acqua. Una membrana modellata come lo schermo di legno intagliato di una moschea copre ogni occhio. >

La vera azione è di notte, quindi una sera Warkentin, Vonesh e alcuni ospiti visitano lo stagno per cercare le rane. Gli uccelli, gli insetti e le scimmie sono tranquilli, ma il cinguettio e lo scricchiolio degli anfibi riempiono l’aria. Il richiamo di una rana è un chiaro, forte “knock-knock!” Un altro suona esattamente come una pistola a raggi in un videogioco. La foresta si sente più selvaggia di notte.

Vicino a un capannone, un maschio di raganella dagli occhi rossi si aggrappa al gambo di una foglia larga. Piccole dita arancioni aperte, mostra il suo ventre bianco e gli occhi rossi spalancati alla luce di più fari. “Hanno queste posture fotogeniche”, dice Warkentin. “E si siedono lì e ti lasciano scattare una foto. Non scappano. Alcune rane sono, tipo, così nervose. ” Forse è per questo che la raganella dagli occhi rossi è diventata famosa, con la sua foto su così tanti calendari, suggerisco: sono più facili da fotografare rispetto ad altre rane. Mi corregge: “Sono più carini”.

Gli scienziati pensano che gli antenati delle rane moderne abbiano tutti deposto le uova nell’acqua. Forse la stessa raganella dagli occhi rossi potrebbe aver evoluto le sue abitudini di deposizione delle foglie come una risultato della plasticità fenotipica. Forse un antenato si dilettava a deporre le uova fuori dall’acqua, solo nei giorni veramente umidi, per allontanarsi dai predatori acquatici – un modo plastico di affrontare un ambiente pericoloso – e quel tratto è stato trasmesso ai suoi discendenti , che alla fine ha perso del tutto la capacità di deporre le uova nell’acqua.

Nessuno sa se è così che sia successo. “Era molto tempo fa e non era più suscettibile di questo tipo di esperimenti”, dice Warkentin .

Ma sono in corso esperimenti intriganti su un altro tipo di rana, una che potrebbe ancora navigare nella transizione tra acqua e terra. Justin Touchon, ex dottorando di Warkentin, studia come la raganella a clessidra, Dendropsophus ebraccatus, depone le uova, che sono meno piene di gelatina e più inclini a seccarsi rispetto alle raganelle dagli occhi rossi “. Una femmina di raganella a clessidra sembra scegliere dove deporre le uova in base all’umidità. Negli stagni ombreggiati dagli alberi, ha scoperto Touchon, depongono le uova sulle foglie sopra l’acqua, ma negli stagni più caldi ed esposti le uova vanno in acqua.

In uno studio pubblicato il mese scorso, lui ha scoperto che le uova avevano maggiori probabilità di sopravvivere sulla terra se c’era molta pioggia, e maggiori probabilità di sopravvivere in acqua se le precipitazioni erano scarse. Ha anche esaminato i record di pioggia per Gamboa negli ultimi 39 anni e ha scoperto che mentre le precipitazioni complessive non sono cambiate, il modello è: le tempeste sono più grandi ma più sporadiche. Quel cambiamento nell’ambiente potrebbe portare a un cambiamento nel modo in cui si riproducono le raganelle della clessidra. “Fornisce una finestra su ciò che ha causato il movimento di riprodursi sulla terra”, dice Touchon: un clima che è cambiato per avere molte piogge costanti avrebbe potuto rendere più sicuro per le rane deporre le uova fuori dall’acqua.

Il gruppo di Warkentin ha sede al piano terra della Gamboa Elementary School, chiusa negli anni ’80. Una mattina, Warkentin siede su un’antica sedia girevole con braccioli impolverati a una scrivania in pensione, facendo quella che sembra una scuola elementare progetto artigianale.

Sul pavimento alla sua sinistra c’è un secchio bianco con file di rettangoli verdi fissati con nastro adesivo all’interno. Si abbassa e ne tira fuori uno. È un pezzo di foglia, tagliato con le forbici da una delle piante a foglia larga vicino al laghetto sperimentale, e su di esso c’è un ciuffo di uova di raganella dagli occhi rossi gelatinose. Strappa una striscia di nastro adesivo e attacca il pezzo di foglia su un rettangolo di plastica blu, tagliato da un piatto da picnic di plastica.

“Puoi fare una quantità incredibile di scienza con stoviglie usa e getta, nastro adesivo e zincato filo “, dice.

Mette la carta in un bicchiere di plastica trasparente con un po ‘d’acqua sul fondo, dove i girini cadranno quando si schiuderanno, e passerà al pezzo di foglia successivo. I girini faranno parte di nuovi esperimenti di predazione.

C’è un grande valore esplicativo in modelli semplici, ma lei vuole capire come funziona effettivamente la natura. “Stiamo cercando di cimentarci con ciò che è reale”, dice. “E la realtà è più complicata.”