Karen Warkentin, iført høye olivengrønne gummistøvler, står på bredden av en betong -foret dam i utkanten av den panamanske regnskogen. Hun trekker i seg et bredt grønt blad som fremdeles er festet til en gren og peker på en skinnende clutch av gelélignende egg. «Disse gutta er klekkbare,» sier hun.

Rødøyede trefrosker, Agalychnis callidryas, legger eggene sine på løvverket ved kanten av dammer; når tadpoles klekkes, faller de i vannet. Normalt klekker et egg seks til syv dager etter at det er lagt. De som Warkentin peker på, å dømme ut fra størrelse og form, er omtrent fem dager gamle, sier hun. Små kropper viser seg gjennom den klare gelfylte membranen. Under et mikroskop ville de røde hjerter bare være synlige.

Hun strekker seg ned for å våte hånden i damvannet. vil virkelig klekkes, «sier hun,» men de kan. » Hun trekker bladet ut over vannet og kjører forsiktig en finger over eggene.

Spirer! En liten tadpole bryter ut. Den lander halvveis nedover bladet, rykker og faller i vannet. Nok en og en av søsknene følger. «Det er ikke noe jeg blir lei av å se på,» sier Warkentin.

Med bare et fingervipp har Warkentin demonstrert et fenomen som transformerer biologien. Etter flere tiår med å tenke på gener som en «blåkopi» – de kodede DNA-strengene dikterer cellene våre nøyaktig hva de skal gjøre og når de skal gjøre det – biologer blir enige med en forvirrende virkelighet. Livet, til og med en enhet som er tilsynelatende enkel som en froskegg, er fleksibelt. Det har muligheter. Om fem dager kan røde øyne trefroskegg, som utvikler seg rett etter planen, plutselig ta en annen vei hvis de oppdager vibrasjoner fra en angripende slange: De klekkes tidlig og prøver lykken i dammen nedenfor.

Eggets overraskende respons reagerer på et revolusjonerende konsept i biologien kalt fenotypisk plastisitet, som er den fleksibiliteten en organisme viser når det gjelder å oversette gener til fysiske egenskaper og handlinger. Fenotypen handler stort sett om en annen organisme enn dens gener (som forskere kaller genotypen). Begrepet fenotypisk plastisitet fungerer som motgift mot forenklet årsak og virkningstanking om gener; den prøver å forklare hvordan et gen eller et sett med gener kan gi stige til flere utfall, avhengig delvis av hva organismen møter i sitt miljø. Studiet av evolusjon har så lenge sentrert seg om gener selv at Warkentin sier at forskere har antatt at «individer er forskjellige fordi de er genetisk forskjellige. Men mye av variasjonen der ute kommer fra miljøeffekter.»

Når et husplante lager lysere blader i solen og en vannloppe vokser pigger for å beskytte mot sulten fisk, viser de fenotypisk plastisitet. Avhengig av miljøet – om det er slanger, orkaner eller matmangel å takle – organismer kan få frem forskjellige fenotyper. Natur eller pleie? Vel, begge deler.

Realiseringen har store implikasjoner for hvordan forskere tenker på evolusjon. Fenotypisk plastisitet gir en løsning på det avgjørende puslespillet om hvordan organismer tilpasser seg miljøutfordringer, med vilje eller ikke. Og det er ikke noe mer forbløffende eksempel på medfødt fleksibilitet enn disse froskeeggene – blinde masser av goo som er genetisk programmert til å utvikle seg og klekkes ut som et urverk. Eller så det ut.

Røde øyne d trefrosklukker unnsluttet sultne slanger lenge før Warkentin begynte å studere fenomenet for 20 år siden. «Folk hadde ikke tenkt på egg som muligheten til å vise denne typen plastisitet,» sier Mike Ryan, doktorgradsrådgiveren ved University of Texas i Austin. «Det var veldig tydelig, mens hun gjorde doktorgradsavhandlingen, at dette var et veldig, veldig rikt felt som hun liksom hadde oppfunnet på egenhånd. ”

Karen Martin, biolog ved Pepperdine University, studerer også klekking av plastisitet. «Klekking som svar på en slags trussel har vært en veldig viktig innsikt,» sier Martin. «Jeg tror hun var den første som hadde et veldig godt eksempel på det.» Hun berømmer Warkentins vedvarende innsats for å lære store biologitimer fra froskeegg: «Jeg tror mange mennesker kunne ha sett på dette systemet og sagt:» Her er en slags finurlig ting som jeg kunne få noen papirer ut av, og nå ‘Vi kommer videre og ser på et annet dyr.’ Hun viet seg til å forstå dette systemet. ”

Warkentins forskning» får oss til å tenke nøyere over hvordan organismer reagerer på utfordringer selv veldig tidlig i livet, » sier Eldredge Bermingham, en evolusjonsbiolog og direktør for Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, uttales «str-eye») i Gamboa, Panama. Warkentin, en biologiprofessor ved Boston University, gjennomfører feltstudier ved STRI. Det var der hun viste meg hvordan hun lokker eggene til å klekkes.

Rumpetrollene som hopper fra det våte bladet, har fortsatt litt eggeplomme på magen; de trenger sannsynligvis ikke å spise på halvannen dag til. Warkentin fortsetter å gni til bare noen få gjenstår og gjemmer seg hardt inne i eggene sine. «Fortsett,» sier hun til dem. «Jeg vil ikke la dere være her alene.»

Den siste av tadpoles lander i vannet. Rovdyr kjent som baksvømmere venter på overflaten, men Warkentin sier at hun reddet haletrollene fra en verre skjebne. Moren deres hadde savnet merket og lagt dem på et blad som ikke nådde ut over dammen. «Hvis de klekket ut på bakken,» sier hun, «ville de bare vært mauremat.»

***

Warkentin ble født i Ontario, og familien hennes flyttet til Kenya da hun var 6. Faren hennes jobbet med Canadian International Development Agency for å trene lærere i det nylig uavhengige landet. Det var da hun interesserte seg for tropisk biologi, lekte med kameleoner og så på sjiraffer, sebraer og gaseller på skoleturen i Nairobi. Familien hennes kom tilbake til Canada flere år senere, men klokka 20 gikk hun haik og ryggsekk over Afrika. «Det var noe som virket helt rimelig i familien min,» sier hun.

Før hun begynte på doktorgraden, dro hun til Costa Rica for å lære mer om tropene og se etter et forskningstema. øye trefroskens landegg fanget interessen hennes. Hun besøkte den samme dammen om og om igjen, og så på.

«Jeg hadde opplevelsen – som jeg er sikker på at andre tropiske herpetologer har hatt før og kanskje ikke gjorde ‘ ikke tenk på – hvis du har en senkobling, hvis du støter på dem, vil de klekke på deg, ”sier Warkentin. «Jeg kom inn i en clutch, og de rømte alle sammen.»

Hun hadde også sett slanger ved dammen. «Det jeg trodde var, wow, jeg lurer på hva som ville skje hvis en slange kom borti dem , Sier hun og ler. «Som med munnen?» Faktisk fant hun ut at hvis en slange dukker opp og begynner å angripe clutchen, klekkes eggene tidlig. Embryoene inne i eggene kan til og med se forskjellen mellom en slange og andre vibrasjoner på bladet. «Dette er tingen å gå ut i feltet og å se på dyrene, sier hun. «De vil fortelle deg ting du ikke forventet noen ganger.»

Biologer trodde at denne typen fleksibilitet kom i veien for å studere evolusjon, sier Anurag Agrawal, en evolusjonær økolog ved Cornell University. Nei Det er spennende at Warkentin har dokumentert fantastiske nye ting om en karismatisk frosk, men Agrawal sier at det er mye mer med det. «Jeg tror at hun får æren for å ha tatt det utover» gee whiz «og stilt noen av de konseptuelle spørsmålene. i økologi og evolusjon. ”

Hva er fordelene med en overlevelsestaktikk fremfor en annen? Selv en 5 dager gammel frosk må balansere fordelen ved å unngå en sulten slange mot kostnadene ved å klekke tidlig. Og faktisk har Warkentin og hennes kollegaer dokumentert at tidlig klekkende tadpoles var mindre sannsynlige enn deres senklækkende brødre til å overleve til voksen alder, spesielt i nærvær av sultne øyenstikker nymfer.

Plastisitet lar ikke bare frosker takler utfordringer i øyeblikket; det kan til og med kjøpe tid for evolusjon å skje. Warkentin har funnet ut at tadpoles også klekkes tidlig hvis de risikerer å tørke ut. Hvis regnskogen gradvis ble tørrere, kan en slik tidlig klekking bli standard etter utallige generasjoner, og frosken kan miste plastisiteten og utvikle seg til en ny, raskt klekkende art.

En av bærebjelkene i evolusjonær tenkning er at tilfeldige genetiske mutasjoner i en organisms DNA er nøkkelen til å tilpasse seg en utfordring: Ved en tilfeldighet endres sekvensen til et gen, et nytt trekk dukker opp, organismen viderefører sitt endrede DNA til neste generasjon og gir opphav til slutt til en annen arter. Følgelig fikk noen landpattedyr for titalls millioner år siden mutasjoner som lar det tilpasse seg livet i havet – og dets etterkommere er hvalene vi kjenner og elsker. Men plastisitet gir en annen mulighet: Genet i seg selv trenger ikke å mutere for at et nytt trekk skal overflate. I stedet kan noe i miljøet kaste organismen til å gjøre en endring ved å trekke på variasjonen som allerede er i genene.

For å være sikker er teorien om at plastisitet faktisk kan gi opphav til nye egenskaper kontroversiell. . Dens viktigste talsmann er Mary Jane West-Eberhard, en banebrytende teoretisk biolog i Costa Rica tilknyttet STRI og forfatter av den innflytelsesrike 2003-boka Developmental Plasticity and Evolution. «Det 20. århundre har blitt kalt genets århundre,» sier West-Eberhard. «Det 21. århundre lover å være miljøet.» Hun sier at mutasjonssentrert tenkning er «en evolusjonsteori i fornektelse.» Darwin, som ikke engang visste at gener eksisterte, hadde det riktig, sier hun: Han lot muligheten for at nye trekk kunne oppstå på grunn av miljøpåvirkning åpen.

West-Eberhard sier at Warkentins gruppe «har vist en overraskende evne hos små embryoer til å ta tilpasningsbeslutninger basert på utsøkt følsomhet overfor sine omgivelser.» Den slags variasjon, sier West-Eberhard, «kan føre til evolusjonær diversifisering mellom populasjoner.»

Selv om ikke alle er enige i West-Eberhards teori om hvordan plastisitet kan skape nyhet, tror mange forskere nå at fenotypisk plastisitet vil dukke opp når organismer lever i miljøer som varierer. Plastisitet kan gi planter og dyr tid til å tilpasse seg når de dumpes i et helt nytt miljø, for eksempel når frø blåses til en øy. Et frø som ikke er like kresen med hensyn til temperatur og lysbehov, kan gjøre det bedre på et nytt sted – og trenger kanskje ikke å vente på at en adaptiv mutasjon skal komme.

Også mange forskere tror at plastisitet kan hjelpe organismer med å prøve ut nye fenotyper uten å være helt forpliktet til dem. Tidlig klekking, for eksempel. Ulike arter av frosker varierer sterkt i hvor utviklet de er når de klekker. Noen har en stumpete hale og kan knapt svømme; andre er fullformede, firlemmede dyr. «Hvordan får du den slags utviklede variasjonen?» Spør Warkentin. ”Spiller plastisitet i klekkingstiden en rolle i det? Vi vet ikke, men det er fullt mulig. ”

***

Byen Gamboa ble bygget mellom 1934 og 1943 av Panama Canal Company, et amerikansk statlig selskap som kontrollerte kanalen til 1979, da den ble overlevert til Panama. Gamboa, på kanten av en regnskog, er en del spøkelsesby, delvis soverom samfunn for Panama City og en del vitenskapelig sommerleir. Ganske mange innbyggere er forskere og ansatte ved STRI.

Da jeg besøkte, hadde Warkentins team opptil et dusin mennesker, inkludert flere studenter hun refererer til som «barna.» En morgen forlater Warkentins laboratorium en posisjon av livlig ungdommer i knehøye gummistøvler, ryggsekker og hatter og går over feltet bak skolen, forbi tennisbanene. Virginia Commonwealth University, som gjorde et doktorgradsstipend med Warkentin og fremdeles samarbeider med henne, påpeker sitt favoritttegn i byen, en holdover fra Canal Zone-tiden: «No Necking.» Den er malt på forsiden av tribunene ved det gamle svømmebassenget, nå en del av den lokale brannmannskapets sportsklubb. Så forklarer han en av barna hva «halsring» betyr.

De går nedover en vei inn til en barnehage for innfødte planter, krysser en grøft på en gangbro og kommer til Experimental Pond. Den var bygget av betong til spesifikasjonene gitt av Warkentin og Stan Rand, en ærverdig froskeforsker ved STRI, som døde i 2005.

På dammenes andre side ligger gruppens forskningsområde, avgrenset av en grøft på den ene siden og en bekk, deretter regnskog, på den andre. Det er et metallhull med åpne sider, omgitt av dusinvis av 100-liters storfetanker som ble brukt i eksperimenter. De ser ut som bøtter som er beregnet på å fange en rekke ekstremt store lekkasjer. Vonesh snakker om rørleggerarbeidet systemet med mer entusiasme enn det som synes mulig. «Vi kan fylle en storetank om tre eller fire minutter!» utbryter han.

Alt det raske fyllet betyr at forskerne kan gjøre raske eksperimenter andre vannøkologer bare kan drømme om. I dag demonterer de et eksperiment på predasjon. For fire dager siden ble 47 tadpoles satt i hver av 25 tanker sammen med en Belostomatid, en slags vanndyr som spiser tadpoles. I dag teller de tadpoles for å finne ut hvor mange Belostomatidene spiste.

En gigantisk blå morfosommerfugl flyter forbi, dens iriserende vinger er et sjokkerende skvett av elektrisk blå mot den frodige grønne skogen. «De kommer forbi samme sted på samme tid på dagen,» sier Warkentin.

«Jeg sverger at jeg ser den hver morgen,» sier Vonesh.

Det er morfoen 9:15, «sier Warkentin.

Warkentin forklarer eksperimentet de avslutter i dag.» Vi vet at rovdyr åpenbart dreper byttedyr, og de skremmer også byttedyr, «sier hun. Når nyklekkede tadpoles faller ned i en dam, er vannbugs en av truslene de møter. Tadpoles plastisitet kan hjelpe dem med å unngå å bli spist – hvis de kan oppdage feilene og på en eller annen måte svare.

Økologer har utviklet matematiske ligninger som beskriver hvor mye byttedyr et rovdyr skal kunne spise, og elegante grafer viser hvordan befolkningen stiger og faller når den ene spiser den andre. Men hva skjer egentlig i naturen? Betyr størrelsen noe? Hvor mange 1 dag gamle tadpoles spiser en fullvoksen vanndyr? Hvor mange eldre, feitere tadpoles? «Vi synes selvsagt at små ting er lettere å fange og spise og stikke i munnen din,» sier Vonesh. «Men vi har virkelig ikke innlemmet det i selv denne typen grunnleggende modeller.»

Å finne ut ut hvor mange tadpoles som ble spist, studenter, studenter, professorer og en postdoktor må ta hver siste tadpole ut av hver tank for å bli talt.Vonesh tar opp en klar plastdrikkekopp fra bakken ved føttene. Inni er det en vannbug som festet seg med haletudser. «Han er en stor fyr,» sier han. Han stikker inn i en tank med nettet, trekker ut tadpoles en eller to om gangen og legger dem i et grunt plastkar.

«Er du klar?» spør Randall Jimenez, en kandidatstudent ved National University of Costa Rica.

«Jeg er klar,» sier Vonesh. Vonesh tipser tanken mens Jimenez holder et nett under det frosne vannet. Gutta ser på nettet for alle tadpoles som Vonesh savnet. «Ser du noen?» Spør Vonesh. «Nei,» sier Jimenez. Det tar nesten 30 sekunder for vannet å strømme ut. De fleste av forskerne bruker høye gummistøvler for å beskytte mot slanger, men de er nyttige når bakken raskt blir til gjørme.

En flokk brak vandrer nonchalant gjennom gresset. «De liker å spise tadpoles,» sier Vonesh. «De liker å henge og late som om de leter etter meitemark, men så snart du snur ryggen, er de i karet ditt.»

Vonesh tar karet med haletudser til skuret der Warkentin fotograferer det. En student vil telle tadpoles i hvert bilde. Insekter og fugler synger fra trærne. Noe faller – plink – på metalltaket. Et godstog fløyter fra togsporene som går langs kanalen; en gruppe hyleaper bjeffer en voldsom respons fra trærne.

Til forskere som Warkentin tilbyr Gamboa litt regnskog omtrent en times kjøretur fra en internasjonal flyplass. «Å, herregud. Det er så enkelt, ”sier hun. «Det er en fare for ikke å sette pris på hvor fantastisk det er. Det er et utrolig sted å jobbe.»

I løpet av dagen hopper de ikoniske røde øyne ikke om. Hvis du vet hva du er når du leter etter, kan du finne en og annen voksen mann som klamrer seg til et blad som en lysegrønn pillbox – ben brettet, albuer gjemt i siden for å minimere vanntap. En membran mønstret som en moskes utskårne vindusskjerm i tre dekker hvert øye. >

Den virkelige handlingen er om natten, så en kveld besøker Warkentin, Vonesh og noen gjester dammen for å lete etter frosker. Fuglene, insektene og apene er stille, men amfibier kvitter og knirker fyller luften. En froskes samtale er et tydelig, høyt «knock-knock!» En annen høres ut som en strålepistol i et videospill. Skogen føles mer vill om natten.

I nærheten av et skur klemmer en mannlig rødøyet trefrosk seg til stilken til et bredt blad. Små oransje tær sprer seg ut, han viser den hvite magen og de brede røde øynene i lys av flere frontlykter. «De har disse fotogene stillingene,» sier Warkentin. «Og de bare sitter der og lar deg ta et bilde. De stikker ikke av. Noen frosker er som nervøse. ” Kanskje det er grunnen til at den rødøyede trefrosken har blitt kjent med sitt bilde på så mange kalendere, foreslår jeg – de er lettere å fotografere enn andre frosker. Hun retter meg: «De er søtere.»

Forskere tror at forfedrene til moderne frosker alle la eggene sine i vann. Kanskje den rødøyede trefrosken selv kunne ha utviklet bladvanevanene som en resultat av fenotypisk plastisitet. Kanskje en forfader dablet med å legge eggene sine ut av vannet, bare på virkelig våte dager, for å komme vekk fra vannlevende rovdyr – en plastisk måte å håndtere et farlig miljø på – og denne egenskapen ble overført til sine etterkommere , som til slutt mistet evnen til å legge egg i vann i det hele tatt.

Ingen vet om det var slik det skjedde. «Det var veldig lenge siden og ikke lenger mottakelig for slike eksperimenter,» sier Warkentin. .

Men spennende eksperimenter på en annen type frosk – en som kanskje fremdeles navigerer overgangen mellom vann og land – er i gang. Justin Touchon, tidligere doktorgradsstudent ved Warkentin, studerer hvordan timeglassfrøen, Dendropsophus ebraccatus, legger eggene sine, som er mindre fullpakket med gelé og mer utsatt for uttørking enn røde øyne. En kvinnelig timeglassfrø ser ut til å velge hvor de skal legge egg basert på fuktighet. Ved dammer skyggelagt av trær, fant Touchon, vil de legge egg på blader over vannet, men ved varmere, mer utsatte dammer går eggene i vannet.

I en studie publisert forrige måned, sa han fant ut at egg var mer sannsynlig å overleve på land hvis det var mye regn, og mer sannsynlig å overleve i vann hvis nedbør var lite. Han så også på regnskaper for Gamboa de siste 39 årene og fant at mens den totale nedbøren ikke har endret seg, har mønsteret: Stormene er større, men mer sporadiske. Den endringen i miljøet kan føre til en endring i hvordan timeglassfrøene reproduserer. «Det gir et vindu på hva som førte til at bevegelsen reproduserte seg på land,» Touchon sier – et klima som skiftet til mye jevnt regn kunne ha gjort det tryggere for frosker å legge egg ut av vannet.

Warkentins gruppe er basert i første etasje på Gamboa Elementary School, som stengte på 1980-tallet. En morgen sitter Warkentin på en eldgammel svingstol med støvete armer ved et pensjonert kontorbord og gjør det som ser ut som en skole. håndverksprosjekt.

På gulvet til venstre sitter en hvit bøtte med rader med grønne rektangler som er teipet på innsiden. Hun strekker seg ned og trekker en ut. Det er et stykke blad, kuttet med saks fra en av de bredbladede plantene ved den eksperimentelle dammen, og på den er det en kobling av gelatinøse rødøyede trefrogsegg. Hun river av en stripe tape og stikker bladstykket på et blått plastrektangel, kuttet av en plastpiknikplate.

«Du kan gjøre utrolig mye vitenskap med engangsutstyr, teip og galvanisert wire, ”sier hun.

Hun stiller kortet i en klar plastkopp med litt vann i bunnen, hvor tadpoles faller når de klekker, og går videre til neste blad. Rumpetrollene vil være en del av nye rovdyreksperimenter.

Det er stor forklaringsverdi i enkle modeller – men hun vil forstå hvordan naturen faktisk fungerer. «Vi prøver å kjempe med det som er ekte,» sier hun. «Og virkeligheten er mer komplisert.»