Karen Warkentin, gekleed in hoge olijfgroene rubberen laarzen, staat op de oever van een beton omzoomde vijver aan de rand van het Panamese regenwoud. Ze trekt aan een breed groen blad dat nog aan een tak vastzit en wijst naar een glimmend kluwen geleiachtige eieren. “Deze jongens kunnen uitkomen”, zegt ze.

Roodogige boomkikkers, Agalychnis callidryas, leggen hun eieren op bladeren aan de rand van vijvers; wanneer de kikkervisjes uitkomen, vallen ze in het water. Normaal gesproken komt een ei zes tot zeven dagen nadat het is gelegd uit. De eieren waarnaar Warkentin wijst, te oordelen naar hun grootte en vorm, zijn ongeveer vijf dagen oud, zegt ze. Kleine lichaampjes zijn zichtbaar door het heldere met gel gevulde membraan. Onder een microscoop zouden de rode harten net zichtbaar zijn.

Ze reikt naar beneden om haar hand in het vijverwater te bevochtigen. echt willen uitkomen, “zegt ze,” maar ze kunnen. ” Ze trekt het blad over het water en strijkt zachtjes met een vinger over de eieren.

Sproing! Er breekt een klein kikkervisje uit. Het landt halverwege het blad, trilt en valt in het water. Nog een en nog een van zijn broers en zussen volgen. ‘Het is niet iets waar ik genoeg van krijg om te kijken’, zegt Warkentin.

Met slechts een vingerbeweging heeft Warkentin een fenomeen aangetoond dat de biologie verandert. Na decennia lang genen als een ‘blauwdruk’ te hebben beschouwd – de gecodeerde DNA-strengen dicteren onze cellen precies wat ze moeten doen en wanneer ze het moeten doen – beginnen biologen een verwarrende realiteit te accepteren. Het leven, zelfs een entiteit die zo eenvoudig lijkt als een kikkerei, is flexibel. Het heeft opties. Na ongeveer vijf dagen kunnen roodogige boomkikkereieren, die zich precies volgens schema ontwikkelen, plotseling een andere weg inslaan als ze trillingen van een aanvallende slang detecteren: ze komen vroeg uit en beproeven hun geluk in de vijver eronder.

De verrassende reactievermogen van het ei belichaamt een revolutionair concept in de biologie dat fenotypische plasticiteit wordt genoemd, de flexibiliteit die een organisme toont bij het vertalen van zijn genen in fysieke kenmerken en acties. Het fenotype gaat vrijwel alles over een ander organisme dan zijn genen (dat wetenschappers het genotype noemen). Het concept van fenotypische plasticiteit dient als tegengif voor het simplistische oorzaak-en-gevolg-denken over genen; het probeert uit te leggen hoe een gen of een reeks genen leiden tot meerdere uitkomsten, deels afhankelijk van wat het organisme in zijn omgeving tegenkomt. De studie van evolutie heeft zich zo lang op de genen zelf gericht dat, zegt Warkentin, wetenschappers hebben aangenomen dat “individuen verschillend zijn omdat ze genetisch verschillend zijn. Maar veel van de variatie die er is, komt voort uit milieueffecten.”

Wanneer een kamerplant bleker bladeren maakt in de zon en een watervlo stekels laat groeien om te beschermen tegen hongerige vissen, vertonen ze fenotypische plasticiteit. Afhankelijk van de omgeving – of er nu slangen, orkanen of voedseltekorten zijn – kunnen organismen verschillende fenotypes naar voren brengen. Natuur of opvoeding? Wel, beide.

Het besef heeft grote implicaties voor hoe wetenschappers denken over evolutie. Fenotypische plasticiteit biedt een oplossing voor de cruciale puzzel van hoe organismen zich opzettelijk aanpassen aan milieu-uitdagingen of niet. En er is geen verbazingwekkender voorbeeld van aangeboren flexibiliteit dan deze kikkereieren – blinde massa klodder die genetisch is geprogrammeerd om zich als een uurwerk te ontwikkelen en uit te broeden. Of zo leek het.

Rode ogen De jongen van de boomkikker ontweken hongerige slangen lang voordat Warkentin het fenomeen 20 jaar geleden begon te bestuderen. “Mensen hadden niet gedacht dat eieren de mogelijkheid hadden om dit soort plasticiteit te tonen”, zegt Mike Ryan, haar promovendi-adviseur aan de Universiteit van Texas in Austin. “Het was heel duidelijk, terwijl ze bezig was met haar proefschrift, dat dit was een heel, heel rijk vakgebied dat ze min of meer in haar eentje had uitgevonden. ”

Karen Martin, een bioloog aan de Pepperdine University, doet ook onderzoek naar uitbroedplasticiteit. “Uitkomen als reactie op een of andere bedreiging is een heel belangrijk inzicht geweest”, zegt Martin. “Ik denk dat zij de eerste was die daar een heel goed voorbeeld van had.” Ze prijst Warkentins aanhoudende inspanning om grote biologielessen te leren van kikkereieren: ‘Ik denk dat veel mensen naar dit systeem hebben gekeken en zeiden:’ Hier is een soort eigenzinnig ding waar ik wat papieren uit zou kunnen halen, en nu heb ik Ik ga verder en kijk naar een ander dier. ”Ze legde zich toe op het begrijpen van dit systeem.”

Het onderzoek van Warkentin “zorgt ervoor dat we zorgvuldiger nadenken over hoe organismen zelfs op zeer jonge leeftijd op uitdagingen reageren”. zegt Eldredge Bermingham, een evolutiebioloog en directeur van het Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, uitgesproken als ‘str-eye’) in Gamboa, Panama. Warkentin, een biologieprofessor aan de Boston University, voert haar veldstudies uit aan STRI. Dat is waar ze liet zien mij hoe ze de eieren overhaalt om uit te komen.

De kikkervisjes die uit het natte blad springen, hebben nog een beetje dooier op hun buik; ze hoeven waarschijnlijk nog geen anderhalve dag te eten. Warkentin blijft wrijven totdat er nog maar een paar over zijn, die zich hardnekkig in hun eieren verstoppen. “Vooruit”, zegt ze tegen hen, “ik wil jullie hier niet alleen achterlaten.”

De laatste kikkervisjes belanden in het water. Roofwantsen die bekend staan als backswimmers wachten aan de oppervlakte, maar Warkentin zegt dat ze de kikkervisjes van een erger lot heeft gered. Hun moeder had het doel gemist en ze op een blad gelegd dat niet over de vijver reikte. “Als ze op de grond zouden uitkomen”, zegt ze, “dan zouden ze gewoon mierenvoer zijn.”

***

Warkentin werd geboren in Ontario, en haar familie verhuisde naar Kenia toen ze 6 was. Haar vader werkte samen met de Canadian International Development Agency om leraren op te leiden in het nieuwe onafhankelijke land. Toen raakte ze geïnteresseerd in tropische biologie, het spelen met kameleons en het kijken naar giraffen, zebra’s en gazellen op weg naar school in Nairobi. Haar familie keerde enkele jaren later terug naar Canada, maar op haar twintigste ging ze liften en backpacken door Afrika. “Dat leek me heel redelijk in mijn familie”, zegt ze.

Voordat ze aan haar doctoraat begon, ging ze naar Costa Rica om meer te leren over de tropen en om een onderzoeksonderwerp te zoeken. de aardse eieren van de boomkikker met ogen trokken haar interesse. Ze bezocht dezelfde vijver keer op keer en keek toe.

“Ik had de ervaring – waarvan ik zeker weet dat andere tropische herpetologen dat eerder hebben gehad en misschien ook niet hebben gedaan. denk er maar niet over na: als je een koppeling in een laat stadium hebt, als je ze tegenkomt, komen ze bij je uit, ‘zegt Warkentin. “Ik botste tegen een koppeling, en ze waren allemaal aan het springen.”

Ze had ook slangen bij de vijver gezien. “Wat ik dacht was, wow, ik vraag me af wat er zou gebeuren als er een slang tegen ze botste. , ”Zegt ze en lacht. “Zoals, met zijn mond?” Ze ontdekte inderdaad dat als een slang verschijnt en het legsel begint aan te vallen, de eieren vroeg uitkomen. De embryo’s in de eieren kunnen zelfs het verschil zien tussen een slang en andere trillingen op het blad. “Dit is het ding, om naar binnen te gaan. het veld en kijken naar de dieren ”, zegt ze. “Soms vertellen ze je dingen die je niet had verwacht.”

Biologen dachten altijd dat dit soort flexibiliteit het bestuderen van evolutie in de weg stond, zegt Anurag Agrawal, een evolutionair ecoloog aan de Cornell University. Het is opwindend dat Warkentin prachtige nieuwe dingen over een charismatische kikker heeft gedocumenteerd, maar Agrawal zegt dat er nog veel meer aan de hand is. “Ik denk dat ze de eer krijgt om verder te gaan dan de ‘gee whiz’ en enkele van de conceptuele vragen te stellen. in ecologie en evolutie. ”

Wat zijn de voordelen van de ene overlevingstactiek boven de andere? Zelfs een 5 dagen oude kikker moet het voordeel van het vermijden van een hongerige slang afwegen tegen de kosten van vroeg uitkomen. En in feite hebben Warkentin en haar collega’s gedocumenteerd dat vroeg uitkomen van kikkervisjes minder waarschijnlijk was dan hun laat uitkomende broeders om te overleven tot op volwassen leeftijd, vooral in de aanwezigheid van hongerige libellenimfen.

Plasticiteit laat niet alleen toe. kikkers kunnen de uitdagingen van het moment aan; het zou zelfs tijd kunnen kopen om evolutie te laten plaatsvinden. Warkentin heeft ontdekt dat kikkervisjes ook vroeg uitkomen als ze dreigen uit te drogen. Als het regenwoud geleidelijk droger zou worden, zou zo’n vroege uitkomst na talloze generaties de standaard kunnen worden, en zou de kikker zijn plasticiteit kunnen verliezen en evolueren naar een nieuwe, snel uitkomende soort.

Een van de pijlers van evolutionair denken is dat willekeurige genetische mutaties in het DNA van een organisme de sleutel zijn tot aanpassing aan een uitdaging: toevallig verandert de volgorde van een gen, komt er een nieuwe eigenschap naar voren, het organisme geeft zijn veranderde DNA door aan de volgende generatie en leidt uiteindelijk tot een andere soorten. Dientengevolge verwierven enkele landzoogdieren tientallen miljoenen jaren geleden mutaties waardoor ze zich konden aanpassen aan het leven in de oceaan – en zijn nakomelingen zijn de walvissen die we kennen en liefhebben. Maar plasticiteit biedt nog een andere mogelijkheid: het gen zelf hoeft niet te muteren om een nieuwe eigenschap naar boven te halen. In plaats daarvan kan iets in de omgeving het organisme ertoe aanzetten om een verandering aan te brengen door gebruik te maken van de variatie die al in zijn genen zit.

Zeker, de theorie dat plasticiteit daadwerkelijk nieuwe eigenschappen zou kunnen veroorzaken, is controversieel . De belangrijkste voorstander is Mary Jane West-Eberhard, een baanbrekende theoretische bioloog in Costa Rica, verbonden aan STRI en auteur van het invloedrijke boek Developmental Plasticity and Evolution uit 2003. “De 20e eeuw wordt de eeuw van het gen genoemd”, zegt West-Eberhard. “De 21e eeuw belooft de eeuw van het milieu te worden.” Ze zegt dat mutatiegericht denken ‘een evolutietheorie in ontkenning’ is. Darwin, die niet eens wist dat genen bestonden, had gelijk, zegt ze: hij liet de mogelijkheid open dat nieuwe eigenschappen zouden kunnen ontstaan door invloed van de omgeving.

West-Eberhard zegt dat de groep van Warkentin “het verrassende vermogen van kleine embryo’s heeft aangetoond om adaptieve beslissingen te nemen op basis van een uitstekende gevoeligheid voor hun omgeving.” Dat soort variatie, zegt West-Eberhard, “kan leiden tot evolutionaire diversificatie tussen populaties.”

Hoewel niet iedereen het eens is met de theorie van West-Eberhard over hoe plasticiteit voor nieuwigheid zou kunnen zorgen, denken veel wetenschappers nu dat fenotypische plasticiteit zal ontstaan wanneer organismen leven in omgevingen die variëren. Plasticiteit kan planten en dieren de tijd geven om zich aan te passen wanneer ze in een compleet nieuwe omgeving worden gedumpt, zoals wanneer zaden naar een eiland worden geblazen. Een zaadje dat niet zo kieskeurig is wat betreft temperatuur en lichtvereisten, doet het misschien beter op een nieuwe plek – en hoeft misschien niet te wachten op een adaptieve mutatie.

Ook denken veel wetenschappers dat plasticiteit kan organismen helpen nieuwe fenotypes uit te proberen zonder er volledig aan toegewijd te zijn. Bijvoorbeeld vroeg uitkomen. Verschillende soorten kikkers verschillen sterk in hoe ontwikkeld ze zijn wanneer ze uitkomen. Sommige hebben een stompe staart en kunnen nauwelijks zwemmen; andere zijn volledig gevormde dieren met vier ledematen. “Hoe krijg je dat soort geëvolueerde variatie?” Warkentin vraagt: ‘Speelt plasticiteit in de broedtijd daarbij een rol? We weten het niet, maar het is heel goed mogelijk. ”

***

De stad Gamboa werd tussen 1934 en 1943 gebouwd door de Panama Canal Company, een Amerikaanse overheidsbedrijf dat het kanaal beheerste tot 1979, toen het werd overgedragen aan Panama. Gamboa, aan de rand van een regenwoud, is deels spookstad, deels slaapkamergemeenschap voor Panama City en deels wetenschappelijk zomerkamp. Een flink aantal bewoners zijn wetenschappers en stafleden van STRI.

Toen ik hem bezocht, had het team van Warkentin wel een dozijn mensen, waaronder een aantal studenten die ze ‘de kinderen’ noemt. Op een ochtend vertrekt een groep krachtig uitziende jonge mensen in kniehoge rubberen laarzen, rugzakken en hoeden het laboratorium van Warkentin en stapt over het veld achter de school, langs de tennisbanen.

James Vonesh, een professor in Virginia Commonwealth University, die een postdoctorale fellowship deed bij Warkentin en nog steeds met haar samenwerkt, wijst op zijn favoriete bord in de stad, een overblijfsel uit het kanaalzone-tijdperk: “No Necking.” Het is geschilderd op de voorkant van de tribunes bij het oude zwembad, nu onderdeel van de plaatselijke sportclub voor brandweerlieden. Vervolgens legt hij aan een van de kinderen uit wat “insnoering” betekent.

Ze lopen een weg af naar een kwekerij voor inheemse planten, steken een greppel over op een loopbrug en komen aan bij Experimental Pond. Het is gebouwd van beton. volgens specificaties van Warkentin en Stan Rand, een gerespecteerde kikkeronderzoeker bij STRI, die stierf in 2005.

Aan de andere kant van de vijver ligt het onderzoeksgebied van de groep, begrensd door een sloot aan één kant en een beek, dan regenwoud, aan de andere kant. Er is een schuurtje met een metalen dak en open zijkanten, omringd door tientallen veetanks van 100 gallon die in experimenten worden gebruikt. Ze zien eruit als emmers die zijn opgesteld om een reeks extreem grote lekken op te vangen. Vonesh vertelt over het sanitair systeem met meer enthousiasme dan mogelijk lijkt. “We kunnen een veetank in drie of vier minuten vullen!” roept hij uit.

Al die snelle vulling betekent dat de onderzoekers snelle experimenten kunnen doen waar andere aquatische ecologen alleen maar van kunnen dromen. Vandaag ontmantelen ze een experiment over predatie. Vier dagen geleden werden 47 kikkervisjes in elk van de 25 tanks gestopt, samen met één Belostomatid, een soort waterwants die kikkervisjes eet. Tegenwoordig tellen ze de kikkervisjes om erachter te komen hoeveel de Belostomatiden hebben gegeten.

Een gigantische blauwe morphovlinder flitst voorbij, met zijn iriserende vleugels een schokkende scheut elektrisch blauw tegen het weelderige groene bos. “Ze komen langs dezelfde plaats op hetzelfde tijdstip van de dag”, zegt Warkentin.

“Ik zweer dat ik die elke ochtend zie”, zegt Vonesh.

” Het is de morpho van 9:15, “zegt Warkentin.

Warkentin legt het experiment uit dat ze vandaag afronden.” We weten dat roofdieren natuurlijk prooien doden, en ze maken ook prooien bang, “zegt ze. Wanneer pas uitgekomen kikkervisjes in een vijver vallen, zijn waterwantsen een van de bedreigingen waarmee ze worden geconfronteerd. De plasticiteit van de kikkervisjes kan ervoor zorgen dat ze niet worden opgegeten – als ze de insecten kunnen detecteren en op de een of andere manier kunnen reageren.

Ecologen hebben wiskundige vergelijkingen ontwikkeld die beschrijven hoeveel prooien een roofdier zou moeten kunnen eten, en elegante grafieken laten zien hoe populaties stijgen en dalen terwijl de een de ander eet. Maar wat gebeurt er echt in de natuur? Maakt grootte uit? Hoeveel kikkervisjes van een dag oud eet een volgroeide waterwants? Hoeveel oudere, dikkere kikkervisjes? “Het is duidelijk dat we denken dat kleine dingen gemakkelijker te vangen en op te eten zijn en in je mond te steken”, zegt Vonesh. “Maar we hebben dat echt niet verwerkt in zelfs dit soort basismodellen.”

hoeveel kikkervisjes werden opgegeten, de studenten, afgestudeerde studenten, professoren en een postdoctoraal fellow moeten elk laatste kikkervisje uit elke tank halen om te worden geteld.Vonesh pakt een doorzichtige plastic drinkbeker van de grond aan zijn voeten. Binnenin zit een waterbug die zich tegoed deed aan kikkervisjes. “Hij is een grote kerel”, zegt hij. Hij reikt met het net in een tank, haalt er een of twee tegelijk uit en stopt ze in een ondiepe plastic bak.

“Ben je klaar?” vraagt Randall Jimenez, een afgestudeerde student aan de Nationale Universiteit van Costa Rica.

“Ik ben er klaar voor,” zegt Vonesh. Vonesh kantelt de tank terwijl Jimenez een net onder het stromende water houdt. De jongens kijken naar het net voor kikkervisjes die Vonesh heeft gemist. “Zie je iemand?” Vonesh vraagt. “Nee,” zegt Jimenez. Het duurt bijna 30 seconden voordat het water eruit stroomt. De meeste onderzoekers dragen hoge rubberen laarzen ter bescherming tegen slangen, maar ze zijn handig omdat de grond snel in modder verandert.

Een zwerm grackles dwaalt nonchalant door het gras. “Ze eten graag kikkervisjes”, zegt Vonesh. “Ze houden ervan om rond te hangen en te doen alsof ze op zoek zijn naar regenwormen, maar zodra je je de rug toekeert, zijn ze in je badkuip.”

Vonesh neemt zijn bak met kikkervisjes mee naar de schuur waar Warkentin fotografeert het. Een student zal de kikkervisjes op elke foto tellen. Insecten en vogels zingen uit de bomen. Er valt iets – plink – op het metalen dak. Een goederentrein fluit vanaf de treinrails die langs het kanaal lopen; een groep brulapen blaft een rauwe reactie van de bomen.

Voor wetenschappers als Warkentin biedt Gamboa een stukje regenwoud op ongeveer een uur rijden van een internationaal vliegveld. ‘Oh, mijn god. Het is zo gemakkelijk ”, zegt ze. “Het gevaar bestaat dat je niet beseft hoe geweldig het is. Het is een ongelooflijke plek om te werken.”

Overdag huppelen de iconische roodogige kikkers niet rond. Als je weet wat je bent Op zoek naar, vind je af en toe een volwassen mannetje dat zich aan een blad vastklampt als een bleekgroene bunker – benen gevouwen, ellebogen naast zijn zij om waterverlies te minimaliseren. Elk oog bedekt een membraan met het patroon van het uitgesneden houten raamscherm van een moskee. >

De echte actie is ’s nachts, dus op een avond bezoeken Warkentin, Vonesh en enkele gasten de vijver om kikkers te zoeken. De vogels, insecten en apen zijn stil, maar amfibieën tjilpen en kraken de lucht. De roep van één kikker is een duidelijke, luide “klop-klop!” Een ander klinkt precies als een straalgeweer in een videogame. Het bos voelt ’s nachts meer wild aan.

In de buurt van een schuur klampt een mannelijke roodogige boomkikker zich vast aan de stengel van een breed blad. Kleine oranje tenen uitgespreid, hij toont zijn witte buik en grote rode ogen in het licht van meerdere koplampen. ‘Ze hebben deze fotogenieke houdingen’, zegt Warkentin. ‘En ze zitten daar gewoon en laten je een foto maken. Ze rennen niet weg. Sommige kikkers zijn zo zenuwachtig. ” Misschien is dat de reden waarom de roodogige boomkikker beroemd is geworden, met zijn foto op zoveel kalenders, stel ik voor – ze zijn gemakkelijker te fotograferen dan andere kikkers. Ze corrigeert me: “Ze zijn schattiger.”

Wetenschappers denken dat de voorouders van moderne kikkers allemaal hun eieren in water hebben gelegd. Misschien had de roodogige boomkikker zelf zijn bladleggewoonten kunnen ontwikkelen als een resultaat van fenotypische plasticiteit. Misschien heeft een voorouder zijn eieren uit het water gelegd, alleen op echt natte dagen, om weg te komen van in het water levende roofdieren – een plastische manier om met een gevaarlijke omgeving om te gaan – en die eigenschap werd doorgegeven aan zijn nakomelingen , dat uiteindelijk helemaal niet meer in staat was om eieren in water te leggen.

Niemand weet of dat zo is gebeurd. “Dat is heel lang geleden en niet langer vatbaar voor dat soort experimenten”, zegt Warkentin .

Maar er zijn intrigerende experimenten aan de gang met een ander soort kikker – een die misschien nog steeds de overgang tussen water en land navigeert. Justin Touchon, een voormalig promovendus van Warkentin, bestudeert hoe de zandloperboomkikker, Dendropsophus ebraccatus, zijn eieren legt, die minder vol zitten met gelei en meer vatbaar zijn voor uitdroging dan roodogige boomkikkers ‘. Een vrouwelijke zandloperboomkikker lijkt te kiezen waar ze eieren legt op basis van vocht. In vijvers in de schaduw van bomen, ontdekte Touchon, leggen ze eieren op bladeren boven het water, maar bij warmere, meer blootgestelde vijvers gaan de eieren in het water.

In een studie die vorige maand werd gepubliceerd, zei hij ontdekte dat eieren meer kans hadden om te overleven op het land als er veel regen was, en meer kans om te overleven in water als er weinig regen was. Hij keek ook naar regenrecords voor Gamboa in de afgelopen 39 jaar en ontdekte dat hoewel de algehele regenval niet is veranderd, het patroon wel: Stormen zijn groter maar sporadischer. Die verandering in de omgeving zou een verandering kunnen veroorzaken in de manier waarop de zandloperboomkikkers zich voortplanten. “Het geeft een beeld van de oorzaak van de voortplanting van de beweging op het land”, zegt Touchon – een klimaat dat verschoof naar veel gestage regen, had het voor kikkers veiliger kunnen maken om eieren uit het water te leggen.

De groep van Warkentin is gebaseerd op de begane grond van de Gamboa Elementary School, die in de jaren tachtig werd gesloten. Op een ochtend zit Warkentin op een oude draaistoel met stoffige armen aan een oud bureau en doet wat eruitziet als een basisschool ambachtelijk project.

Links van haar op de vloer zit een witte emmer met rijen groene rechthoeken die aan de binnenkant met ducttape zijn vastgemaakt. Ze bukt haar hand en trekt er een uit. Het is een stuk blad, met een schaar geknipt van een van de breedbladige planten bij de proefvijver, en daarop zit een kluwen geleiachtige roodogige boomkikkereieren. Ze scheurt een strook plakband af en plakt het stuk blad op een blauwe plastic rechthoek, gesneden uit een plastic picknickbord.

“Je kunt verbazingwekkend veel wetenschap doen met wegwerpservies, ducttape en gegalvaniseerd draad, ”zegt ze.

Ze zet de kaart in een doorzichtige plastic beker met een beetje water op de bodem, waar de kikkervisjes vallen als ze uitkomen, en gaat verder naar het volgende stuk blad. De kikkervisjes zullen deel uitmaken van nieuwe predatie-experimenten.

Er is een grote verklarende waarde in eenvoudige modellen, maar ze wil begrijpen hoe de natuur werkelijk werkt. “We proberen te worstelen met wat echt is”, zegt ze. “En de realiteit is ingewikkelder.”