Karen Warkentin, purtând cizme înalte de cauciuc verde măslin, stă pe malul unui beton – iaz cu linie la marginea pădurii tropicale panamene. Trage o frunză largă, verde, încă atașată de o ramură și arată un ambreiaj strălucitor de ouă jeleoase. „Băieții aceștia sunt capabili”, spune ea.

Broaștele cu ochi roșii, Agalychnis callidryas, își depun ouăle pe frunziș la marginile iazurilor; atunci când mormolocul eclozează, acestea cad în apă. În mod normal, un ou eclozează la șase până la șapte zile după ce a fost depus. Cele pe care le arată Warkentin, judecând după mărimea și forma lor, au aproximativ cinci zile, spune ea. Corpuri minuscule se prezintă prin membrana limpede plină de gel. La microscop, inimile roșii ar fi vizibile.

Ea se întinde pentru a-și uda mâna în apa iazului. chiar vreau să clocească ”, spune ea,„ dar pot ”. Ea scoate frunza deasupra apei și trece ușor un deget peste ouă.

Sproing! Un mormoluc izbucnește. Aterizează parțial pe frunze, se zvâcnește și cade în apă. Altul și altul de urmează frații săi. „Nu mă simt obosit să mă uit”, spune Warkentin.

Cu o simplă apăsare de deget, Warkentin a demonstrat un fenomen care transformă biologia. După zeci de ani de gândire la gene ca un „plan” – firele de ADN codificate dictează celulelor noastre exact ce să facem și când să o facem – biologii se împacă cu o realitate confuză. Viața, chiar și o entitate la fel de aparent simplă ca o ou de broască, este flexibil. Are opțiuni. La aproximativ cinci zile, ouăle de broască cu ochi roșii, care se dezvoltă chiar în termen, pot lua brusc o altă cale dacă detectează vibrațiile unui șarpe atacant: clocesc devreme și își încearcă norocul în iazul de dedesubt.

Reacția surprinzătoare a oului este un concept revoluționar în biologie numit plasticitate fenotipică, care este flexibilitatea pe care o manifestă organismul în traducerea genelor sale în trăsături fizice și acțiuni. Fenotipul este aproape totul despre un alt organism decât genele sale (pe care oamenii de știință îl numesc genotipul). Conceptul de plasticitate fenotipică servește ca antidot la gândirea simplistă a cauzei și efectelor asupra genelor; încearcă să explice cum poate genera o genă sau un set de gene crește la rezultate multiple, în funcție parțial de ceea ce întâlnește organismul în mediul său. Studiul evoluției s-a concentrat atât de mult pe gene în sine, încât, spune Warkentin, oamenii de știință au presupus că „indivizii sunt diferiți, deoarece sunt diferiți genetic. Dar o mare parte a variației de acolo provine din efectele asupra mediului.”

Când o plantă de casă face frunze mai palide la soare și un purice de apă crește spini pentru a se proteja împotriva peștilor flămânzi, aceștia prezintă plasticitate fenotipică. În funcție de mediu – indiferent dacă există șerpi, uragane sau lipsă de alimente – organismele pot face față scoateți la iveală diferite fenotipuri. Natură sau îngrijire? Ei bine, ambele.

Realizarea are implicații mari pentru modul în care oamenii de știință gândesc despre evoluție. Plasticitatea fenotipică oferă o soluție la puzzle-ul crucial al modului în care organismele se adaptează la provocările de mediu, în mod intenționat. sau nu. Și nu există un exemplu mai uimitor de flexibilitate înnăscută decât aceste ouă de broască – mase orbe de goo programate genetic să se dezvolte și să clocească ca un ceas. Sau așa se părea.

Ochi roșii Puii de broască de copac evitau șerpii flămânzi cu mult timp înainte ca Warkentin să înceapă studierea fenomenului în urmă cu 20 de ani. „Oamenii nu s-au gândit la ouă ca având posibilitatea de a arăta acest tip de plasticitate”, spune Mike Ryan, consilierul ei de doctorat de la Universitatea Texas din Austin. „Era foarte clar, în timp ce își făcea teza de doctorat, că acest lucru a fost un domeniu foarte, foarte bogat pe care la inventat de una singură. ”

Karen Martin, biologă la Universitatea Pepperdine, studiază, de asemenea, plasticitatea ecloziunii. „Eclozarea ca răspuns la un fel de amenințare a fost o perspectivă foarte importantă”, spune Martin. „Cred că a fost prima care a avut un exemplu foarte bun în acest sens”. Ea laudă efortul susținut de Warkentin de a învăța lecții mari de biologie din ouăle de broască: „Cred că mulți oameni ar fi putut să se uite la acest sistem și să fi spus:„ Iată un fel de lucru ciudat din care aș putea scoate niște hârtii, iar acum Voi merge mai departe și mă voi uita la alt animal. Ea s-a dedicat înțelegerii acestui sistem. ”

Cercetările lui Warkentin„ ne fac să ne gândim mai atent la modul în care organismele răspund provocărilor chiar și foarte devreme în viață ”. spune Eldredge Bermingham, biolog evoluționist și director al Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, pronunțat „str-eye”) din Gamboa, Panama. Warkentin, profesor de biologie la Universitatea din Boston, își desfășoară studiile pe teren la STRI. eu cum coagulează ouăle să clocească.

Mormolocul care sare din frunza umedă mai are puțin gălbenuș pe burtă; probabil că nu vor mai avea nevoie să mănânce încă o zi și jumătate. Warkentin continuă să se frece până când rămân doar câteva, ascunzându-se cu încăpățânare în ouăle lor. „Continuați”, le spune ea. „Nu vreau să vă las aici singuri.”

Ultimul mormoloc aterizează în apă. Bug-uri prădătoare cunoscute sub numele de backswimmers așteaptă la suprafață, dar Warkentin spune că a salvat mormolocii dintr-o soartă mai rea. Mama lor ratase semnul, așezându-i pe o frunză care nu ajungea peste iaz. „Dacă ar fi eclozat pe pământ”, spune ea, „atunci ar fi doar hrană pentru furnici.”

***

Warkentin s-a născut în Ontario, iar familia ei s-a mutat în Kenya când avea 6 ani. Tatăl ei a lucrat cu Agenția canadiană de dezvoltare internațională pentru a instrui profesori în noua țară independentă. Atunci a devenit interesată de biologia tropicală, jucându-se cu cameleoni și urmărind girafe, zebre și gazele în drum spre școala din Nairobi. Familia ei s-a întors în Canada câțiva ani mai târziu, dar la 20 de ani a făcut autostop și a făcut rucsaci în toată Africa. „A fost ceva care părea perfect rezonabil în familia mea”, spune ea.

Înainte de a-și începe doctoratul, a plecat în Costa Rica pentru a afla mai multe despre tropice și pentru a căuta un subiect de cercetare. ouăle terestre de broască cu ochi i-au atras interesul. Ea a vizitat același iaz din nou și din nou și a urmărit.

„Am avut experiența – pe care sunt sigură că au mai avut-o alți herpetologi tropicali și poate nu Nu vă gândiți – dacă aveți un ambreiaj în stadiul târziu, dacă vă ciocniți de ei, ei vor trece peste voi ”, spune Warkentin. „M-am lovit de o ambreiaj și toți se salvau.”

Văzuse și șerpi la iaz. „Ceea ce credeam că este, wow, mă întreb ce s-ar întâmpla dacă un șarpe ar fi lovit de ei. ”, Spune ea și râde. „Ca, cu gura?” Într-adevăr, ea a descoperit că, dacă un șarpe apare și începe să atace ambreiajul, ouăle clocesc devreme. Embrionii din interiorul ouălor pot chiar să facă diferența dintre un șarpe și alte vibrații de pe frunză. „Acesta este lucrul, de a ieși în pe câmp și urmărind animalele ”, spune ea. „Ei îți vor spune lucruri la care nu te așteptai uneori.”

Biologii credeau că acest tip de flexibilitate a împiedicat studierea evoluției, spune Anurag Agrawal, un ecolog evoluționist de la Universitatea Cornell. Nu Este interesant faptul că Warkentin a documentat lucruri noi minunate despre o broască carismatică, dar Agrawal spune că există multe mai multe lucruri. „Cred că primește credit pentru că a luat-o dincolo de„ șuieratul ”și a pus câteva dintre întrebările conceptuale. în ecologie și evoluție. ”

Care sunt avantajele unei tactici de supraviețuire față de alta? Chiar și o broască în vârstă de 5 zile trebuie să echilibreze avantajul evitării unui șarpe flămând cu costul ecloziunii devreme. Și, de fapt, Warkentin și colegii ei au documentat că mormolocul cu ecloziune timpurie era mai puțin probabil ca frații lor cu eclozare târzie să supraviețuiască până la maturitate, în special în prezența nimfelor înfometate cu libelule.

Plasticitatea nu numai că permite broaștele fac față provocărilor din acest moment; s-ar putea chiar să câștige timp pentru ca evoluția să se întâmple. Warkentin a descoperit că mormolocul eclozează devreme dacă riscă să se usuce. Dacă pădurea tropicală devine treptat mai uscată, o astfel de ecloziune timpurie ar putea deveni standard după nenumărate generații, iar broasca ar putea să-și piardă din plasticitate și să evolueze într-o nouă specie cu eclozare rapidă.

Unul dintre pilonii de gândire că mutațiile genetice aleatorii din ADN-ul unui organism sunt cheia adaptării la o provocare: întâmplător, secvența unei gene se schimbă, apare o nouă trăsătură, organismul transmite ADN-ul modificat generației următoare și dă naștere în cele din urmă specii. În consecință, în urmă cu zeci de milioane de ani, unii mamifere terestre au dobândit mutații care îl permit să se adapteze la viața din ocean – iar descendenții săi sunt balenele pe care le cunoaștem și pe care le iubim. Dar plasticitatea oferă o altă posibilitate: gena în sine nu trebuie să mute pentru a ieși la suprafață o nouă trăsătură. În schimb, ceva din mediu ar putea împinge organismul să facă o schimbare bazându-se pe variația care se află deja în genele sale.

Pentru a fi sigur, teoria conform căreia plasticitatea ar putea da naștere la noi trăsături este controversată. . Principala sa susținătoare este Mary Jane West-Eberhard, biologă teoretică pionieră în Costa Rica afiliată STRI și autor al cărții influente din 2003 Developmental Plasticity and Evolution. „Secolul XX a fost numit secolul genei”, spune West-Eberhard. „Secolul XXI promite să fie secolul mediului înconjurător”. Ea spune că gândirea centrată pe mutație este „o teorie evolutivă în negare”. Darwin, care nici măcar nu știa că există gene, a avut dreptate, spune ea: a lăsat deschisă posibilitatea apariției unor noi trăsături din cauza influenței mediului.

West-Eberhard spune că grupul Warkentin „a demonstrat o capacitate surprinzătoare a embrionilor mici de a lua decizii adaptative bazate pe o sensibilitate deosebită la mediul lor”. Acest tip de variație, spune West-Eberhard, „poate duce la diversificarea evoluției între populații.”

Deși nu toată lumea este de acord cu teoria West-Eberhard a modului în care plasticitatea ar putea aduce noutate, mulți oameni de știință cred acum că plasticitatea fenotipică va apărea atunci când organismele trăiesc în medii care variază. Plasticitatea poate da plantelor și animalelor timp să se adapteze atunci când sunt aruncate într-un mediu complet nou, cum ar fi atunci când semințele sunt suflate pe o insulă. O sămânță care nu este la fel de pretențioasă în ceea ce privește cerințele sale de temperatură și lumină s-ar putea descurca mai bine într-un loc nou – și s-ar putea să nu trebuiască să aștepte să apară o mutație adaptativă.

De asemenea, mulți oameni de știință cred că plasticitatea poate ajuta organismele să încerce noi fenotipuri fără a fi dedicate în totalitate acestora. Clocirea timpurie, de exemplu. Diferite specii de broaște variază foarte mult în ceea ce privește cât de dezvoltate sunt atunci când eclozează. Unele au coada stumpy și abia pot înota; altele sunt animale complet formate, cu patru membre. „Cum obțineți acest tip de variație evoluată?” Întreabă Warkentin. „Plasticitatea în timpul ecloziunii joacă un rol în asta? Nu știm, dar este posibil. ”

***

Orașul Gamboa a fost construit între 1934 și 1943 de către Panama Canal Company, o corporație guvernamentală americană care a controlat canalul până în 1979, când a fost predat Panama. Gamboa, la marginea unei păduri tropicale, este o parte a orașului fantomă, o parte a comunității dormitorului pentru Panama City și o parte a taberei de vară științifice. Câțiva rezidenți sunt oameni de știință și personal la STRI.

Când am vizitat-o, echipa lui Warkentin avea până la o duzină de persoane, inclusiv mai mulți studenți la care se referă ca „copiii”. Într-o dimineață, o poșetă de tineri cu aspect viguros, îmbrăcați în cizme de gheață, rucsaci și pălării până la genunchi, pleacă din laboratorul lui Warkentin și străbate câmpul din spatele școlii, trecând pe lângă terenurile de tenis. Universitatea Virginia Commonwealth, care a făcut o bursă postdoctorală cu Warkentin și încă colaborează cu ea, subliniază semnul său preferat din oraș, un rest din epoca Zonei Canalului: „No Necking”. Este pictat pe partea din față a tribunelor de la vechea piscină, care acum face parte din clubul sportiv local al pompierilor. Apoi îi explică unuia dintre copii ce înseamnă „gâtul”.

Merg pe un drum către o grădiniță pentru plante native, traversează un șanț pe o pasarelă și ajung la Experimental Pond. A fost construit din beton. conform specificațiilor furnizate de Warkentin și Stan Rand, un venerat cercetător de broască la STRI, care a murit în 2005.

Pe partea îndepărtată a iazului se află zona de cercetare a grupului, delimitată de un șanț pe o parte și un pârâu, apoi pădurea tropicală, pe de altă parte. Există o remiză cu acoperiș metalic, cu laturile deschise, înconjurată de zeci de tancuri de bovine de 100 de galoane utilizate în experimente. Arată ca niște găleți destinate să prindă o serie de scurgeri extrem de mari. Vonesh vorbește despre instalații sanitare cu mai mult entuziasm decât pare posibil. „Putem umple un rezervor de vite în trei sau patru minute!” exclamă el.

Toate aceste umpleri rapide înseamnă că cercetătorii pot face experimente rapide la care alți ecologi acvatici nu pot decât să viseze. Astăzi demontează un experiment despre prădare. În urmă cu patru zile, 47 de mormoloci erau puși în fiecare dintre cele 25 de tancuri împreună cu un Belostomatid, un fel de bug de apă care mănâncă mormoloci. Astăzi, ei vor număra mormolocii pentru a afla câte au mâncat Belostomatidele.

Un fluture gigant albastru morfo zboară, aripile sale irizante, un strop șocant de albastru electric împotriva pădurii verzi luxuriante. „Trec prin același loc la aceeași oră a zilei”, spune Warkentin.

„Jur că o văd în fiecare dimineață”, spune Vonesh.

Este morfo de la 9:15 „, spune Warkentin.

Warkentin explică experimentul pe care îl finalizează astăzi.„ Știm că prădătorii ucid prada, evident, și sperie și prada „, spune ea. Atunci când mormolocul nou eclozat cade într-un iaz, gândacii de apă sunt una dintre amenințările cu care se confruntă. Plasticitatea mormolocului i-ar putea ajuta să evite să fie mâncați – dacă pot detecta erorile și cumva răspund.

Ecologii au dezvoltat ecuații matematice care descriu câtă pradă ar trebui să poată mânca un prădător, iar graficele elegante arată cum populațiile cresc și scad pe măsură ce una mănâncă pe cealaltă. Dar ce se întâmplă cu adevărat în natură? Contează dimensiunea? Câți mormoloci în vârstă de o zi mănâncă o insectă de apă complet crescută? Câți mormoloci mai în vârstă și mai grași? „Evident, credem că lucrurile mici sunt mai ușor de prins, mâncat și lipit în gură”, spune Vonesh. „Dar chiar nu am încorporat acest lucru chiar și în aceste tipuri de modele de bază.”

după câte mormoloci s-au mâncat, studenții, studenții absolvenți, profesorii și un coleg postdoctoral trebuie să scoată fiecare mormoloc din fiecare tanc pentru a fi numărat.Vonesh ridică de la picioare o ceașcă de băutură din plastic limpede de la pământ. Înăuntru este o insectă de apă care se ospăta pe mormoloci. „Este un tip mare”, spune el. Intră într-un rezervor cu plasa, scoțând mormoloci unul câte doi și punându-i într-o cadă de plastic superficială.

„Ești gata?” întreabă Randall Jimenez, un student absolvent la Universitatea Națională din Costa Rica.

„Sunt gata”, spune Vonesh. Vonesh dă bacul în timp ce Jimenez ține o plasă sub apa care țâșnește. Băieții se uită la plasă pentru orice mormoloc căruia i-a scăpat Vonesh. „Vezi pe cineva?” Întreabă Vonesh. „Nu”, spune Jimenez. Durează aproape 30 de secunde până când apa curge. Majoritatea cercetătorilor poartă cizme înalte de cauciuc pentru a se proteja împotriva șerpilor, dar sunt utile deoarece pământul se transformă rapid în noroi.

turmă de scârțâi rătăcesc cu năpasta prin iarbă. „Le place să mănânce mormoloci”, spune Vonesh. „Le place să stea și să se prefacă că sunt în căutarea râmelor de pământ, dar de îndată ce vă întoarceți cu spatele, sunt în cada voastră.”

Vonesh își duce cada cu mormoloci la șopron, unde Warkentin îl fotografiază. Un student va număra mormolocurile din fiecare imagine. Insectele și păsările cântă din copaci. Ceva cade – plink – pe acoperișul metalic. Un tren de marfă fluieră de pe șinele de tren care circulă de-a lungul canalului; un grup de maimuțe urlătoare. latră un răspuns rău din copaci.

Pentru oamenii de știință precum Warkentin, Gamboa oferă o mică pădure tropicală la aproximativ o oră de mers cu mașina de un aeroport internațional. „O, Doamne. Este atât de ușor ”, spune ea. „Există pericolul de a nu aprecia cât de uimitor este. Este un loc incredibil de lucru.”

În timpul zilei, broaștele cu ochi roșii iconici nu sar în jurul lor. Dacă știi ce ești căutând, puteți găsi ocazional bărbat adult care se agață de o frunză ca o pastilă de culoare verde pal – picioarele pliate, coatele lipite de partea sa pentru a reduce la minimum pierderile de apă. O membrană modelată ca fereastra de lemn sculptată a unei moschei acoperă fiecare ochi.

Acțiunea reală este noaptea, așa că într-o seară Warkentin, Vonesh și unii oaspeți vizitează iazul pentru a căuta broaște. Păsările, insectele și maimuțele sunt liniștite, dar amfibienii ciripesc și scârțâie umplu aerul. un clar și puternic „ciocănit!” Altul sună exact ca un pistol cu raze într-un joc video. Pădurea se simte mai sălbatică noaptea.

Lângă o magazie, o broască masculină cu ochi roșii se agață de tulpina unei frunze largi. Cu degetele mici, portocalii, întinse, își arată burtica albă și ochii mari roșii în lumina mai multor faruri. „Au aceste posturi fotogene”, spune Warkentin. „Și stau acolo și te lasă să faci o fotografie. Nu fug. Unele broaște sunt, așa, atât de nervoase. ” Poate de aceea, broasca copac cu ochi roșii a devenit faimoasă, cu imaginea sa pe atât de multe calendare, sugerez – sunt mai ușor de fotografiat decât alte broaște. Ea mă corectează: „Sunt mai drăguți”.

Oamenii de știință cred că strămoșii broaștelor moderne și-au depus toate ouăle în apă. Poate că broasca cu ochi roșii ar fi putut să-și fi dezvoltat obiceiurile de a pune frunze rezultatul plasticității fenotipice. Poate că un strămoș s-a băgat în depunerea ouălor din apă, doar în zilele cu adevărat umede, pentru a scăpa de prădătorii acvatici – un mod plastic de a face față unui mediu periculos – și această trăsătură a fost transmisă descendenților săi , care în cele din urmă și-a pierdut abilitatea de a depune ouă în apă.

Nimeni nu știe dacă așa s-a întâmplat. „Asta a fost cu mult timp în urmă și nu mai este supus acelor tipuri de experimente”, spune Warkentin .

Dar experimentele interesante pe un alt tip de broască – una care ar putea continua să navigheze în tranziția dintre apă și uscat – sunt în curs de desfășurare. Justin Touchon, fost doctorand al Warkentin’s, studiază cum broasca de clepsidră, Dendropsophus ebraccatus, își depune ouăle, care sunt mai puțin împachetate cu jeleu și mai predispuse la uscare decât broaștele cu ochi roșii. O broască feminină de clepsidră pare să aleagă unde să depună ouă pe baza umezelii. La iazurile umbrite de copaci, a găsit Touchon, vor depune ouă pe frunzele de deasupra apei, dar la iazurile mai fierbinți și mai expuse, ouăle intră în apă.

Într-un studiu publicat luna trecută, el au descoperit că ouăle au supraviețuit mai mult pe uscat dacă a fost multă ploaie și au șanse mai mari să supraviețuiască în apă dacă precipitațiile au fost puține. De asemenea, el a analizat înregistrările de ploaie pentru Gamboa în ultimii 39 de ani și a constatat că, deși precipitațiile generale nu s-au schimbat, modelul s-a schimbat: furtunile sunt mai mari, dar mai sporadice. Această schimbare din mediu ar putea conduce la o schimbare a modului în care se reproduc broaștele cu clepsidră. „Oferă o fereastră asupra a ceea ce a provocat reproducerea mișcării pe uscat”, spune Touchon – un climat care s-a schimbat pentru a avea o ploaie constantă ar fi putut face mai sigur ca broaștele să depună ouăle din apă.

Grupul lui Warkentin are sediul la parterul școlii elementare Gamboa, care s-a închis în anii 1980. Într-o dimineață, Warkentin stă pe un scaun pivotant antic, cu brațe prăfuite, la un birou pensionat, făcând ceea ce pare a fi o școală primară. proiect meșteșugăresc.

Pe podeaua din stânga ei se află o găleată albă, cu rânduri de dreptunghiuri verzi, lipite de conducte în interior. Se întinde și o scoate pe una. Este o bucată de frunză, tăiată cu foarfecele de la una dintre plantele cu frunze largi de iazul experimental, și pe ea se află o ambreiaj de ouă de broască de copac gelatinoase cu ochi roșii. Ea rupe o fâșie de bandă și lipeste bucata de frunză pe un dreptunghi albastru de plastic, tăiat dintr-o farfurie de plastic pentru picnic.

„Puteți face o cantitate uimitoare de știință cu vase de unică folosință, bandă adezivă și zincate sârmă „, spune ea.

Stă cartonașul într-o ceașcă de plastic transparentă, cu un pic de apă în fund, unde mormolii vor cădea atunci când vor ecloza și va trece la următoarea bucată de frunză. Mormolocii vor face parte din noi experimente de prădare.

Există o mare valoare explicativă în modelele simple – dar ea vrea să înțeleagă cum funcționează de fapt natura. „Încercăm să ne confruntăm cu ceea ce este real”, spune ea. „Și realitatea este mai complicată.”