Karen Warkentin, ubrana w wysokie oliwkowo-zielone kalosze, stoi na betonowym brzegu -obszarowy staw na skraju panamskiego lasu deszczowego. Pociąga za szeroki zielony liść, wciąż przyczepiony do gałęzi, i pokazuje lśniącą wiązkę galaretowatych jaj. „Tych facetów można wykluć” – mówi.

Czerwonookie żaby drzewne, Agalychnis callidryas, składają jaja na liściach w brzeg stawów; kiedy wykluwają się kijanki, wpadają do wody. Zwykle jajo wykluwa się sześć do siedmiu dni po złożeniu. Te, na które wskazuje Warkentin, sądząc po ich wielkości i kształcie, mają około pięciu dni, – mówi. Przez przezroczystą, wypełnioną żelem membranę widać drobne ciałka. Pod mikroskopem czerwone serca byłyby po prostu widoczne.

Sięga w dół, aby zmoczyć dłoń w wodzie w stawie. naprawdę chcą się wykluć ”, mówi,„ ale mogą ”. Wyciąga liść nad wodę i delikatnie przesuwa palcem po jajach.

Pęd! Mała kijanka wybucha. Opada częściowo w dół liścia, szarpie się i wpada do wody. Kolejna i kolejna jego rodzeństwo podąża za nim. „To nie jest coś, co mnie męczy oglądaniem” – mówi Warkentin.

Jednym ruchem palca Warkentin zademonstrowała zjawisko, które zmienia biologię. Po dziesięcioleciach myślenia o genach jako o „schemacie” – zakodowane nici DNA dyktują naszym komórkom dokładnie, co i kiedy mają robić – biolodzy godzą się na skomplikowaną rzeczywistość. Życie, nawet istota tak pozornie prosta jak jajo żaby jest elastyczne. Ma opcje. Około pięciu dni czerwonookie jaja żaby, rozwijające się zgodnie z harmonogramem, mogą nagle obrać inną ścieżkę, jeśli wykryją wibracje atakującego węża: wykluwają się wcześnie i próbują szczęścia w stawie poniżej.

Zaskakująca reaktywność jaja uosabia rewolucyjną koncepcję w biologii zwaną plastycznością fenotypową, która jest elastycznością, jaką organizm wykazuje w tłumaczeniu swoich genów na cechy fizyczne i czynności. Fenotyp to właściwie wszystko organizm inny niż jego geny (które naukowcy nazywają genotypem). Pojęcie plastyczności fenotypowej służy jako antidotum na uproszczone myślenie przyczynowo-skutkowe o genach; próbuje wyjaśnić, w jaki sposób gen lub zestaw genów może dać prowadzą do wielu wyników, częściowo zależnych od tego, co organizm napotyka w swoim środowisku. Badania ewolucji od tak dawna skupiały się na samych genach, że – jak mówi Warkentin – naukowcy założyli, że „jednostki są różne, ponieważ są genetycznie różne. Jednak duża część zmienności wynika z wpływu na środowisko”.

Kiedy roślina doniczkowa wytwarza jaśniejsze liście na słońcu, a pchła wodna wyrasta na kolcach, aby chronić się przed głodnymi rybami, wykazują fenotypową plastyczność. W zależności od środowiska – czy są węże, huragany czy niedobory pożywienia – organizmy mogą wydobywają różne fenotypy. Natura czy wychowanie? Cóż, jedno i drugie.

Uświadomienie sobie tego ma poważne konsekwencje dla sposobu, w jaki naukowcy myślą o ewolucji. Plastyczność fenotypowa oferuje rozwiązanie kluczowej zagadki, w jaki sposób organizmy celowo dostosowują się do wyzwań środowiskowych czy nie. I nie ma bardziej zdumiewającego przykładu wrodzonej elastyczności niż te żabie jaja – ślepe masy śluzu zaprogramowane genetycznie do rozwoju i wykluwania się jak w zegarku. A przynajmniej tak się wydawało.

Efekt czerwonych oczu Pisklęta żab drzewnych unikały głodnych węży na długo przed tym, jak Warkentin zaczął badać to zjawisko 20 lat temu. „Ludzie nie myśleli, że jajka mogą wykazywać taką plastyczność” – mówi Mike Ryan, jej doradca doktorski na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. „Było bardzo jasne, kiedy robiła doktorat, że to była bardzo, bardzo bogatą dziedziną, którą w pewnym sensie sama wymyśliła ”.

Karen Martin, biolog z Uniwersytetu Pepperdine, również bada plastyczność wyklucia. „Wyklucie w odpowiedzi na jakieś zagrożenie było bardzo ważnym spostrzeżeniem” – mówi Martin – „Myślę, że była pierwszą osobą, która miała na to naprawdę dobry przykład”. Chwali wytrwałe wysiłki Warkentina, by nauczyć się wielkich lekcji biologii z żabich jaj: „Myślę, że wiele osób mogło spojrzeć na ten system i powiedzieć:„ Oto coś dziwacznego, z którego mogłabym wyciągnąć kilka dokumentów, a teraz Pójdę dalej i popatrzę na inne zwierzę. ”Poświęciła się zrozumieniu tego systemu.”

Badania Warkentina „sprawiają, że zastanawiamy się, jak organizmy reagują na wyzwania nawet na bardzo wczesnym etapie życia”, mówi Eldredge Bermingham, biolog ewolucyjny i dyrektor Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, wymawiane „str-eye”) w Gamboa w Panamie. Warkentin, profesor biologii na Uniwersytecie Bostońskim, prowadzi badania terenowe na STRI. Tam pokazała jak ona namawia jaja, żeby się wykluły.

Kijanki wyskakujące z mokrych liści wciąż mają trochę żółtka na brzuchu; prawdopodobnie nie będą musieli jeść przez kolejne półtora dnia. Warkentin ociera się, aż pozostaje tylko kilka, uparcie chowając się w swoich jajach. „No dalej” – mówi im – „Nie chcę zostawiać was tutaj samych”.

Ostatnia z kijanek ląduje w wodzie. Na powierzchni czekają drapieżne robale zwane pływakami wstecz, ale Warkentin mówi, że uratowała kijanki przed gorszym losem. Ich matka nie trafiła w ślad, kładąc je na liściu, który nie sięgał ponad staw. „Gdyby wykluły się na ziemi” – mówi – „byłyby po prostu pokarmem dla mrówek”.

***

Warkentin urodziła się w Ontario, a jej rodzina przeniosła się do Kenii, gdy miała 6 lat. Jej ojciec pracował z Kanadyjską Międzynarodową Agencją Rozwoju, aby szkolić nauczycieli w nowo niepodległym kraju. Wtedy zainteresowała się biologią tropikalną, zabawą z kameleonami i obserwowaniem żyraf, zebr i gazeli w drodze do szkoły w Nairobi. Jej rodzina wróciła do Kanady kilka lat później, ale w wieku 20 lat pojechała autostopem i z plecakiem po całej Afryce. „To było coś, co wydawało się całkowicie rozsądne w mojej rodzinie”, mówi.

Zanim rozpoczęła doktorat, pojechała do Kostaryki, aby dowiedzieć się więcej o tropikach i poszukać tematu badawczego. Jej zainteresowanie wzbudziły obserwowane przez oczka jaja naziemne żaby drzewnej. Odwiedzała ten sam staw w kółko i obserwowała.

„Miałem takie doświadczenie – które jestem pewien, że inni herpetolodzy tropikalni mieli już wcześniej i być może nie” nie myśl o tym – jeśli masz sprzęgło w późnym stadium, jeśli na nie wpadniesz, wyklują się na ciebie ”- mówi Warkentin. „Zderzyłem się ze sprzęgłem i wszyscy wyskoczyli”.

Widziała też węże w stawie. „Pomyślałem sobie, wow, zastanawiam się, co by się stało, gdyby wpadł na nie wąż – mówi i się śmieje. „Na przykład ustami?” Rzeczywiście, odkryła, że jeśli pojawi się wąż i zacznie atakować lęg, jaja wykluwają się wcześnie. Zarodki w jajach mogą nawet odróżnić węża od innych wibracji na liściu. pole i obserwowanie zwierząt ”- mówi. „Powiedzą ci rzeczy, których czasami się nie spodziewałeś”.

Biolodzy uważali, że tego rodzaju elastyczność przeszkadza w badaniu ewolucji – mówi Anurag Agrawal, ekolog ewolucyjny z Cornell University. Nie To ekscytujące, że Warkentin udokumentowała wspaniałe nowe rzeczy o charyzmatycznej żabie, ale Agrawal mówi, że jest w tym o wiele więcej. „Myślę, że jest zasługą, że wyszła poza„ gee whiz ”i zadała kilka pojęciowych pytań w ekologii i ewolucji ”.

Jakie są zalety jednej taktyki przetrwania nad inną? Nawet pięciodniowa żaba musi zrównoważyć korzyści wynikające z uniknięcia głodnego węża z kosztami wczesnego wyklucia się. I rzeczywiście, Warkentin i jej koledzy udokumentowali, że wczesne wykluwające się kijanki były mniej skłonne do przeżycia do dorosłości niż ich późno wykluwający się bracia, szczególnie w obecności głodnych nimf ważek.

Plastyczność nie tylko pozwala żaby radzą sobie z wyzwaniami w danej chwili; może nawet kupić czas na zajście ewolucji. Warkentin odkrył, że kijanki również wcześnie wykluwają się, jeśli są zagrożone wysychaniem. Jeśli las deszczowy stopniowo wysycha, takie wczesne wylęganie się może stać się standardem po niezliczonych pokoleniach, a żaba może stracić plastyczność i przekształcić się w nowy, szybko wylęgający się gatunek.

Jednym z filarów ewolucyjnego myślenia jest że przypadkowe mutacje genetyczne w DNA organizmu są kluczem do przystosowania się do wyzwania: przez przypadek zmienia się sekwencja genu, pojawia się nowa cecha, organizm przekazuje swoje zmienione DNA następnemu pokoleniu i ostatecznie daje początek innej gatunki. W związku z tym dziesiątki milionów lat temu niektóre ssaki lądowe nabyły mutacje, które pozwalają mu przystosować się do życia w oceanie – a jego potomkami są wieloryby, które znamy i kochamy. Ale plastyczność stwarza inną możliwość: sam gen nie musi mutować, aby pojawiła się nowa cecha. Zamiast tego coś w środowisku mogłoby popchnąć organizm do zmiany, korzystając ze zmienności, która jest już w jego genach.

Z pewnością teoria, że plastyczność może rzeczywiście dać początek nowym cechom, jest kontrowersyjna . Jej główną zwolenniczką jest Mary Jane West-Eberhard, pionierka teoretyczna biolog w Kostaryce, związana z STRI i autorka wpływowej książki z 2003 roku Developmental Plasticity and Evolution. „Dwudziesty wiek został nazwany wiekiem genu” – mówi West-Eberhard. „XXI wiek zapowiada się jako wiek środowiska”. Mówi, że myślenie skoncentrowane na mutacjach jest „ewolucyjną teorią zaprzeczania”. Darwin, który nawet nie wiedział o istnieniu genów, miał rację, mówi: Pozostawił otwartą możliwość pojawienia się nowych cech z powodu wpływu środowiska.

West-Eberhard mówi, że grupa Warkentina „wykazała zaskakującą zdolność malutkich embrionów do podejmowania decyzji adaptacyjnych w oparciu o wyjątkową wrażliwość na otoczenie”. Ten rodzaj zmienności, mówi West-Eberhard, „może prowadzić do ewolucyjnej dywersyfikacji między populacjami”.

Chociaż nie wszyscy zgadzają się z teorią West-Eberharda o tym, jak plastyczność może spowodować nowość, wielu naukowców uważa obecnie, że plastyczność fenotypowa pojawi się, gdy organizmy będą żyć w różnych środowiskach. Plastyczność może dać roślinom i zwierzętom czas na przystosowanie się, gdy zostaną wyrzucone w zupełnie nowym środowisku, na przykład gdy nasiona są wyrzucane na wyspę. Ziarno, które nie jest tak wybredne, jeśli chodzi o temperaturę i zapotrzebowanie na światło, może działać lepiej w nowym miejscu – i może nie musieć czekać na pojawienie się mutacji adaptacyjnej.

Ponadto wielu naukowców uważa, że plastyczność może pomóc organizmom w wypróbowywaniu nowych fenotypów, nie będąc do nich całkowicie oddanymi. Na przykład wczesne wyklucie. Różne gatunki żab są bardzo zróżnicowane pod względem stopnia ich rozwoju w momencie wyklucia się. Niektóre mają kościsty ogon i ledwo potrafią pływać; inne są w pełni ukształtowanymi zwierzętami o czterech kończynach. „Jak uzyskać tego rodzaju wyewoluowaną zmienność?” Warkentin pyta: „Czy odgrywa w tym rolę plastyczność w czasie wylęgu? Nie wiemy, ale jest to całkiem możliwe. ”

***

Miasto Gamboa zostało zbudowane w latach 1934-1943 przez Panama Canal Company, amerykańska korporacja rządowa, która kontrolowała kanał do 1979 roku, kiedy to przekazano go Panamie. Gamboa, na skraju lasu deszczowego, jest po części miastem duchów, po części wspólnotą sypialni Panamy, a po części letnim obozem naukowym. Sporo mieszkańców to naukowcy i pracownicy w STRI.

Kiedy odwiedziłem, zespół Warkentin liczył do tuzina osób, w tym kilku studentów, których nazywa „dziećmi”. Pewnego ranka grupa energicznie wyglądających młodych ludzi w gumowych butach do kolan, plecakach i czapkach opuszcza laboratorium Warkentina i idzie przez boisko za szkołą, mijając korty tenisowe.

James Vonesh, profesor w Virginia Commonwealth University, który odbył staż podoktorski z Warkentin i nadal z nią współpracuje, wskazuje na swój ulubiony znak w mieście, pozostałość po czasach Canal Zone: „No Necking”. Jest namalowany z przodu trybun przy starym basenie, obecnie należącym do lokalnego klubu sportowego strażaków. Następnie wyjaśnia jednemu z dzieci, co oznacza „przewężanie”.

Idą drogą do szkółki rodzimych roślin, przechodzą przez rów na kładce i docierają do stawu eksperymentalnego. Został zbudowany z betonu zgodnie ze specyfikacjami przedstawionymi przez Warkentina i Stana Rand, szanowanego badacza żab w STRI, który zmarł w 2005 roku.

Po drugiej stronie stawu znajduje się obszar badawczy grupy, ograniczony z jednej strony rowem i strumieniem, potem las deszczowy z drugiej. Jest tam szopa z metalowym dachem i otwartymi bokami, otoczona dziesiątkami 100-galonowych zbiorników na bydło używanych w eksperymentach. Wyglądają jak wiadra, które mają złapać szereg bardzo dużych wycieków. Vonesh mówi o hydraulice z większym entuzjazmem niż wydaje się to możliwe. „Możemy napełnić zbiornik dla bydła w trzy lub cztery minuty!” wykrzykuje.

To szybkie wypełnianie oznacza, że naukowcy mogą przeprowadzać szybkie eksperymenty, o których inni ekolodzy środowiska wodnego mogą tylko pomarzyć. Dzisiaj rozmontowują eksperyment dotyczący drapieżnictwa. Cztery dni temu w każdym z 25 zbiorników umieszczono 47 kijanek wraz z jednym Belostomatidem, rodzajem robaka wodnego, który zjada kijanki. Dzisiaj policzą kijanki, aby dowiedzieć się, ile zjadły Belostomatidy.

Olbrzymi niebieski motyl morpho przelatuje obok, a jego opalizujące skrzydła przypominają szokującą plamę elektrycznego błękitu na tle bujnego zielonego lasu. „Przychodzą w to samo miejsce o tej samej porze dnia” – mówi Warkentin.

„Przysięgam, że widzę to każdego ranka” – mówi Vonesh.

„ To morfo 9:15 ”- mówi Warkentin.

Warkentin wyjaśnia eksperyment, który dzisiaj kończą.„ Wiemy, że drapieżniki oczywiście zabijają zdobycz, a także ją straszą ”- mówi. Kiedy nowo wyklute kijanki wpadają do stawu, pluskwy wodne są jednym z zagrożeń, z jakimi się spotykają. Plastyczność kijanek może pomóc im uniknąć zjedzenia – jeśli uda im się wykryć owady i jakoś zareagować.

Ekolodzy opracowali równania matematyczne opisujące, ile ofiary drapieżnik powinien być w stanie zjeść, a eleganckie wykresy pokazują, jak populacje rosną i maleją, gdy jedna zjada drugą. Ale co tak naprawdę dzieje się w naturze? Czy rozmiar ma znaczenie? Ile jednodniowych kijanek zjada w pełni dorosła pluskwa wodna? Ile starszych, grubszych kijanek? „Oczywiście uważamy, że małe rzeczy łatwiej jest złapać, zjeść i włożyć do ust” – mówi Vonesh. „Ale tak naprawdę nie uwzględniliśmy tego nawet w tego rodzaju podstawowych modelach”.

Aby zrozumieć ile kijanek zostało zjedzonych, studenci, doktoranci, profesorowie i doktor habilitowani muszą wyciągnąć do ostatniej kijanki z każdego zbiornika, aby je policzyć.Vonesh podnosi z ziemi przezroczysty plastikowy kubek na napoje. Wewnątrz jest robak wodny, który ucztował na kijankach. „To duży facet” – mówi. Sięga do zbiornika z siatką, wyjmuje jedną lub dwie kijanki na raz i wkłada je do płytkiej plastikowej tuby.

„Gotowy?” – pyta Randall Jimenez, doktorant z National University of Costa Rica.

„Jestem gotowy” – mówi Vonesh. Vonesh przechyla zbiornik, gdy Jimenez trzyma sieć pod tryskającą wodą. Chłopaki obserwują sieć za jakiekolwiek kijanki, które przegapił Vonesh. „Widzisz kogoś?” Pyta Vonesh. „Nie” – mówi Jimenez. Wypłynięcie wody zajmuje prawie 30 sekund. Większość badaczy nosi wysokie gumowe buty chroniące przed wężami, ale są one przydatne, gdy ziemia szybko zmienia się w błoto.

Stado grackles wędruje nonszalancko po trawie. „Lubią jeść kijanki” – mówi Vonesh. „Lubią spędzać czas i udawać, że szukają dżdżownic, ale gdy tylko się odwrócisz, są w Twojej wannie”.

Vonesh zabiera kijanki do szopy, gdzie Warkentin fotografuje. Uczeń policzy kijanki na każdym zdjęciu. Owady i ptaki śpiewają z drzew. Coś spada – brzęk – na metalowy dach. Pociąg towarowy gwiżdże z torów kolejowych biegnących wzdłuż kanału; grupa wyjących małp szczeka hałaśliwą reakcją drzew.

Naukowcom takim jak Warkentin Gamboa oferuje kawałek lasu deszczowego około godziny jazdy od międzynarodowego lotniska. „O mój Boże. To takie proste ”- mówi. „Istnieje niebezpieczeństwo, że nie docenisz tego, jakie to niesamowite. To niesamowite miejsce do pracy”.

W ciągu dnia kultowe czerwonookie żaby nie podskakują. Jeśli wiesz, kim jesteś jeśli szukasz, możesz znaleźć okazjonalnego dorosłego mężczyznę uczepionego liścia jak bladozielonego toczka – nogi złożone, łokcie wsunięte w bok, aby zminimalizować utratę wody. Membrana wzorowana na rzeźbione drewniane okno meczetu zakrywa każde oko.

Prawdziwa akcja toczy się w nocy, więc pewnego wieczoru Warkentin, Vonesh i niektórzy goście odwiedzają staw w poszukiwaniu żab. Ptaki, owady i małpy są ciche, ale płazy ćwierkają i skrzypią. Jedno wołanie żaby jest wyraźne, głośne „puk-puk!” Inny brzmi dokładnie jak broń promieniowa w grze wideo. W nocy las wydaje się bardziej dziki.

W pobliżu szopy samiec żaby drzewnej o czerwonych oczach przylega do łodygi szerokiego liścia. Rozpostarte małe pomarańczowe palce u stóp, pokazuje swój biały brzuch i szerokie, czerwone oczy w świetle wielu reflektorów. „Mają takie fotogeniczne postawy” – mówi Warkentin – „I po prostu siedzą i pozwalają ci zrobić zdjęcie. Nie uciekają. Niektóre żaby są jakby takie nerwowe. Może dlatego ruda rzekotka stała się sławna, sugeruję, że jej zdjęcie jest w tak wielu kalendarzach – łatwiej je sfotografować niż inne żaby. Poprawia mnie: „Są ładniejsze”.

Naukowcy uważają, że wszyscy przodkowie współczesnych żab składali jaja w wodzie. Może sama czerwonooka żaba drzewna mogła wyewoluować swoje nawyki składania liści jako wynik plastyczności fenotypowej. Być może przodek parał się składaniem jaj z wody, tylko w naprawdę mokre dni, aby uciec od wodnych drapieżników – plastyczny sposób radzenia sobie z niebezpiecznym środowiskiem – i ta cecha została przekazana jego potomkom , co ostatecznie straciło zdolność składania jaj w wodzie.

Nikt nie wie, czy tak się stało. „To było bardzo dawno temu i nie poddawało się już tego rodzaju eksperymentom” – mówi Warkentin .

Ale intrygujące eksperymenty na innym rodzaju żab – takiej, która może nadal poruszać się po przejściu między wodą a lądem – są w toku. Justin Touchon, były doktorant Warkentina, bada, w jaki sposób żaba klepsydrowa, Dendropsophus ebraccatus, składa jaja, które są mniej upakowane galaretką i bardziej podatne na wysychanie niż żaby drzewne ”. Samica żaby drzewnej wydaje się wybierać miejsce składania jaj na podstawie wilgoci. Touchon odkrył, że w stawach zacienionych drzewami składają jaja na liściach nad wodą, ale w cieplejszych, bardziej odsłoniętych stawach jaja trafiają do wody.

W badaniu opublikowanym w zeszłym miesiącu odkryli, że jaja miały większe szanse przeżycia na lądzie, jeśli było dużo deszczu, i większe prawdopodobieństwo przeżycia w wodzie, jeśli opady były rzadkie. Przyjrzał się również zapisom opadów deszczu Gamboa w ciągu ostatnich 39 lat i stwierdził, że chociaż ogólne opady nie uległy zmianie, wzór jest następujący: burze są większe, ale bardziej sporadyczne. Ta zmiana w środowisku może spowodować zmianę sposobu rozmnażania się żab drzewnych. „Daje to okno na to, co spowodowało ruch do rozmnażania się na lądzie” – mówi Touchon – klimat, który zmieniał się, by mieć dużo ciągłego deszczu, mógłby uczynić bezpieczniejszym dla żab składanie jaj z wody.

Grupa Warkentina znajduje się na parterze szkoły podstawowej Gamboa, która została zamknięta w latach 80. Pewnego ranka Warkentin siedzi na starym obrotowym krześle z zakurzonymi rękami przy biurku na emeryturze i robi coś, co wygląda na szkołę podstawową projekt rzemieślniczy.

Na podłodze po jej lewej stronie znajduje się białe wiadro z rzędami zielonych prostokątów przyklejonych taśmą do wewnątrz. Sięga w dół i wyciąga jedną. To kawałek liścia, wycięty nożyczkami z jednej z szerokolistnych roślin przy stawie doświadczalnym, a na nim lęgowisko galaretowatych czerwonookich żab drzewnych. Odrywa pasek taśmy i przykleja kawałek liścia do niebieskiego plastikowego prostokąta wyciętego z plastikowego talerza piknikowego.

„Dzięki jednorazowym naczyniom, taśmie klejącej i galwanizowanym drutu ”- mówi.

Stawia kartę w przezroczystym plastikowym kubku z odrobiną wody na dnie, gdzie kijanki opadną, gdy się wyklują, i przechodzi do następnego kawałka liścia. Kijanki będą częścią nowych eksperymentów z drapieżnikami.

Proste modele mają wielką wartość wyjaśniającą – ale ona chce zrozumieć, jak faktycznie działa natura. „Próbujemy zmagać się z tym, co jest prawdziwe” – mówi. „A rzeczywistość jest bardziej skomplikowana”.