Karen Warkentin, klädd i höga olivgröna gummistövlar, står på stranden av en betong kantad damm vid kanten av den panamanska regnskogen. Hon drar i sig ett brett grönt blad som fortfarande är fäst vid en gren och pekar ut en blank koppling geléliknande ägg. ”Dessa killar är kläckbara”, säger hon.

Rödögda trädgrodor, Agalychnis callidryas, lägger sina ägg på lövverk vid kanten av dammar, när grodynglarna kläcker, faller de i vattnet. Normalt kläcker ett ägg sex till sju dagar efter det att det har lagts. De som Warkentin pekar på, utifrån deras storlek och form, är ungefär fem dagar gamla, säger hon. Små kroppar visar sig genom det klara gelfyllda membranet. Under ett mikroskop skulle de röda hjärtan bara vara synliga.

Hon sträcker sig ner för att fukta handen i dammvattnet. ”De gör inte vill verkligen kläcka, säger hon, ”men de kan det.” Hon drar ut bladet över vattnet och försiktigt drar ett finger över äggen.

Spirar! En liten grodyngel bryter ut. Den landar halvvägs ner i bladet, ryckar och faller i vattnet. Ytterligare en och en av dess syskon följer. ”Det är inte något jag blir trött på att titta på,” säger Warkentin.

Med bara en fingervändning har Warkentin visat ett fenomen som förändrar biologin. Efter årtionden av att tänka på gener som en ”ritning” – de kodade DNA-strängarna dikterar våra celler exakt vad man ska göra och när man ska göra det – biologer kommer till rätta med en förvirrande verklighet. Livet, till och med en enhet som till synes så enkel som en grodaägg, är flexibelt. Det har alternativ. Vid fem dagar eller så kan röda ögon trädgrodaägg, som utvecklas rätt enligt schemat, plötsligt ta en annan väg om de upptäcker vibrationer från en attackerande orm: De kläcker tidigt och försöker lyckan i dammen nedan.

Äggets överraskande lyhördhet framhäver ett revolutionerande koncept inom biologin som kallas fenotypisk plasticitet, vilket är den flexibilitet en organism visar för att översätta sina gener till fysiska egenskaper och handlingar. Fenotypen är i stort sett allt om en annan organism än dess gener (som forskare kallar genotypen). Begreppet fenotypisk plasticitet fungerar som ett motgift mot förenklat orsak-och-effekt-tänkande om gener; det försöker förklara hur en gen eller en uppsättning gener kan ge uppnå flera resultat, delvis beroende på vad organismen möter i sin miljö. Studien av evolution har så länge varit inriktad på gener själva att, säger Warkentin, att forskare har antagit att ”individer är olika eftersom de är genetiskt olika. Men mycket av variationen där ute kommer från miljöeffekter.”

När en krukväxt gör blekare löv i solen och en vattenloppa växer ryggar för att skydda mot hungrig fisk, visar de fenotypisk plasticitet. Beroende på miljön – om det finns ormar, orkaner eller matbrist att hantera – kan organismer ta fram olika fenotyper. Natur eller vård? Tja, båda.

Förverkligandet har stora konsekvenser för hur forskare tänker på evolutionen. Fenotypisk plasticitet erbjuder en lösning på det avgörande pusslet om hur organismer anpassar sig till miljöutmaningar, avsiktligt eller inte. Och det finns inget mer häpnadsväckande exempel på medfödd flexibilitet än dessa grodaägg – blinda massor av goo som är genetiskt programmerade för att utvecklas och kläckas som urverk. Eller så verkade det.

Röda ögon d grodkläckor undvek hungriga ormar lång tid innan Warkentin började studera fenomenet för 20 år sedan. ”Människor hade inte tänkt på att ägg hade möjligheten att visa denna typ av plasticitet”, säger Mike Ryan, doktorandrådgivare vid University of Texas i Austin. ”Det var mycket tydligt när hon gjorde sin doktorsavhandling att detta var ett väldigt, väldigt rikt fält som hon själv uppfann. ”

Karen Martin, biolog vid Pepperdine University, studerar också kläckning av plasticitet. ”Kläckning som svar på någon form av hot har varit en mycket viktig insikt”, säger Martin. ”Jag tror att hon var den första som hade ett riktigt bra exempel på det.” Hon berömmer Warkentins ihållande ansträngning för att lära sig stora biologilektioner av grodaägg: ”Jag tror att många människor kanske har tittat på detta system och sagt,” Här är en typ av en knäppa sak som jag kunde få några papper ur, och nu jag Jag kommer att gå vidare och titta på något annat djur. ”Hon ägnade sig åt att förstå detta system.”

Warkentins forskning ”får oss att tänka mer noggrant över hur organismer reagerar på utmaningar även mycket tidigt i livet,” säger Eldredge Bermingham, en evolutionär biolog och chef för Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, uttalad ”str-eye”) i Gamboa, Panama. Warkentin, biologiprofessor vid Boston University, genomför sina fältstudier vid STRI. Det var där hon visade mig hur hon lockar äggen att kläcka.

Tadpolesna som hoppar från det våta bladet har fortfarande lite äggula på magen. de behöver antagligen inte äta ytterligare en och en halv dag. Warkentin fortsätter att gnugga tills bara ett fåtal återstår och gömmer sig envist i sina ägg. ”Fortsätt,” säger hon till dem. ”Jag vill inte lämna er här ensam.”

Den sista grodyngeln landar i vattnet. Rovliga buggar som kallas backswimmers väntar vid ytan, men Warkentin säger att hon räddade grodynglarna från ett sämre öde. Deras mor hade missat märket och lagt dem på ett blad som inte sträckte sig över dammen. ”Om de kläckte på marken”, säger hon, ”skulle de bara vara myrmat.”

***

Warkentin föddes i Ontario, och hennes familj flyttade till Kenya när hon var 6. Hennes far arbetade med Canadian International Development Agency för att utbilda lärare i det nyligen oberoende landet. Det var då hon blev intresserad av tropisk biologi, lekte med kameleoner och tittade på giraffer, zebror och gaseller på vägen till skolan i Nairobi. Hennes familj återvände till Kanada flera år senare, men vid 20 åkte hon lift och ryggsäck över Afrika. ”Det var något som verkade helt rimligt i min familj”, säger hon.

Innan hon började sin doktorsexamen, åkte hon till Costa Rica för att lära sig mer om tropikerna och leta efter ett forskningsämne. synade trädgrodas markägda ägg fångade hennes intresse. Hon besökte samma damm om och om igen och såg. tänk inte på – om du har en koppling i sen fas, om du stöter på dem, kommer de att kläcka på dig, säger Warkentin. ”Jag stötte på en koppling, och de räddade alla.”

Hon hade också sett ormar vid dammen. ”Vad jag trodde var, wow, jag undrar vad som skulle hända om en orm stötte på dem , Säger hon och skrattar. ”Som med munnen?” Faktum är att hon upptäckte att om en orm dyker upp och börjar attackera kopplingen, kläcks äggen tidigt. Embryonen inuti äggen kan till och med skilja på en orm och andra vibrationer på bladet. ”Det här är saken, att gå ut i fältet och titta på djuren, säger hon. ”De kommer att berätta saker du inte förväntade dig ibland.”

Biologer trodde att den här typen av flexibilitet kom i vägen för att studera evolution, säger Anurag Agrawal, en evolutionär ekolog vid Cornell University. Nej Det är spännande att Warkentin har dokumenterat underbara nya saker om en karismatisk groda, men Agrawal säger att det finns mycket mer i det. ”Jag tror att hon får kredit för att ha tagit det bortom” gee whiz ”och ställt några av de konceptuella frågorna i ekologi och evolution. ”

Vilka är fördelarna med en överlevnadstaktik framför en annan? Även en 5 dagar gammal groda måste balansera fördelen med att undvika en hungrig orm mot kostnaden för att kläcka tidigt. Och i själva verket har Warkentin och hennes kollegor dokumenterat att tidigkläckande grodyngel var mindre benägna än deras senkläckande bröder att överleva till vuxen ålder, särskilt i närvaro av hungriga sländanymfer.

Plasticitet låter inte bara grodor hanterar utmaningar just nu; det kan till och med köpa tid för evolution att ske. Warkentin har funnit att grodynglar också kläcks tidigt om de riskerar att torka ut. Om regnskogen gradvis blev torrare kan en sådan tidig kläckning bli standard efter otaliga generationer, och grodan kan förlora sin plasticitet och utvecklas till en ny, snabbkläckande art.

En av grundpelarna i evolutionärt tänkande är att slumpmässiga genetiska mutationer i en organisms DNA är nyckeln till att anpassa sig till en utmaning: Av en slump förändras sekvensen för en gen, ett nytt drag framträder, organismen vidarebefordrar sitt förändrade DNA till nästa generation och ger så småningom upphov till en annan arter. Följaktligen, för tiotals miljoner år sedan, fick vissa däggdjur mutationer som låter det anpassa sig till livet i havet – och dess ättlingar är de valar vi känner och älskar. Men plasticitet erbjuder en annan möjlighet: Genen själv behöver inte muteras för att ett nytt drag ska kunna dyka upp. Istället kan något i miljön knuffa organismen för att göra en förändring genom att använda den variation som redan finns i dess gener.

För att vara säker är teorin att plasticitet faktiskt kan ge upphov till nya egenskaper kontroversiell. . Dess främsta förespråkare är Mary Jane West-Eberhard, en banbrytande teoretisk biolog i Costa Rica ansluten till STRI och författare till den inflytelserika 2003-boken Developmental Plasticity and Evolution. ”1900-talet har kallats genens sekel”, säger West-Eberhard. ”2000-talet lovar att vara miljöns århundrade.” Hon säger att mutationscentrerat tänkande är ”en evolutionsteori i förnekelse.” Darwin, som inte ens visste att gener existerade, hade det rätt, säger hon: Han lämnade möjligheten att nya egenskaper kan uppstå på grund av miljöpåverkan.

West-Eberhard säger att Warkentins grupp har ”visat en överraskande förmåga hos små embryon att fatta adaptiva beslut baserade på utsökt känslighet för deras miljöer.” Denna typ av variation, säger West-Eberhard, ”kan leda till evolutionär diversifiering mellan befolkningar.”

Även om inte alla håller med West-Eberhards teori om hur plasticitet skulle kunna skapa nyhet, tror många forskare nu att fenotypisk plasticitet kommer att uppstå när organismer lever i miljöer som varierar. Plasticitet kan ge växter och djur tid att anpassa sig när de dumpas i en helt ny miljö, till exempel när frön blåses till en ö. Ett frö som inte är lika kräsen med avseende på temperatur och ljusbehov kan göra det bättre på ett nytt ställe – och kanske inte behöva vänta på att en adaptiv mutation ska komma.

Dessutom tror många forskare att plasticitet kan hjälpa organismer att testa nya fenotyper utan att vara helt engagerade i dem. Tidig kläckning, till exempel. Olika arter av grodor varierar mycket i hur utvecklade de är när de kläcker. Vissa har en stumpig svans och kan knappt simma; andra är fullformade, fyrbenade djur. ”Hur får du den typen av utvecklad variation?” Frågar Warkentin. ”Spelar plasticitet under kläckningstid en roll i det? Vi vet inte, men det är fullt möjligt. ”

***

Staden Gamboa byggdes mellan 1934 och 1943 av Panama Canal Company, ett amerikanskt regeringsbolag som kontrollerade kanalen fram till 1979, då den överlämnades till Panama. Gamboa, i utkanten av en regnskog, är en del spökstad, en del sovrum för Panama City och en del vetenskapligt sommarläger. En hel del invånare är forskare och personal vid STRI.

När jag besökte hade Warkentins team upp till ett dussin människor, inklusive flera studenter som hon kallar ”barnen.” En morgon avlägsnar Warkentins labb med kraftiga ungdomar i knähöga gummistövlar, ryggsäckar och hattar och kliver över fältet bakom skolan, förbi tennisbanorna.

James Vonesh, professor vid Virginia Commonwealth University, som gjorde ett postdoktoralt stipendium med Warkentin och fortfarande samarbetar med henne, påpekar sin favoritskylt i stan, en hållning från Canal Zone-eran: ”No Necking.” Den är målad på framsidan av läktaren vid den gamla poolen, nu en del av den lokala brandmännens idrottsklubb. Sedan förklarar han för en av barnen vad ”nackning” betyder.

De går en väg in i en plantskola för inhemska växter, korsar en dike på en gångbro och anländer till Experimental Pond. till specifikationer från Warkentin och Stan Rand, en vördad grodaforskare vid STRI, som dog 2005.

På dammens bortre sida finns gruppens forskningsområde, avgränsat av en dike på ena sidan och en bäck, därefter regnskog, å andra sidan. Det finns ett metallhölje med öppna sidor, omgivet av dussintals 100-liters nötkreaturtankar som används i experiment. De ser ut som skopor som är avsedda att fånga en mängd extremt stora läckor. Vonesh talar om VVS system med mer entusiasm än vad som verkar möjligt. ”Vi kan fylla en boskapstank på tre eller fyra minuter!” utropar han.

Allt det snabba påfyllningen innebär att forskarna kan göra snabba experiment som andra vattenekologer bara kan drömma om. Idag demonterar de ett experiment med predation. För fyra dagar sedan placerades 47 grodyngel i var och en av 25 tankar tillsammans med en Belostomatid, en slags vattenfel som äter grodyngel. Idag räknar de grodynglarna för att ta reda på hur många Belostomatiderna åt.

En jätteblå morfofjäril flyter förbi, dess skimrande vingar och ett chockerande stänk av elblått mot den frodiga gröna skogen. ”De kommer förbi, samma plats vid samma tid på dagen”, säger Warkentin.

”Jag svär att jag ser den varje morgon”, säger Vonesh.

Det är morfot 9:15 ”, säger Warkentin.

Warkentin förklarar experimentet de avslutar idag.” Vi vet att rovdjur uppenbarligen dödar byte och de skrämmer också byten, säger hon. När nykläckta grodyngel faller ner i en damm är vattenfel ett av de hot de möter. Tadpoles plasticitet kan hjälpa dem att undvika att bli ätna – om de kan upptäcka buggarna och på något sätt svara.

Ekologer har utvecklat matematiska ekvationer som beskriver hur mycket byte ett rovdjur ska kunna äta, och eleganta grafer visar hur befolkningen stiger och faller när den ena äter den andra. Men vad händer egentligen i naturen? Spelar storlek någon roll? Hur många en-dagars grodyngel äter en fullvuxen vattenfel? Hur många äldre, tjockare grodyngel? ”Självklart tycker vi att små saker är lättare att fånga och äta och hålla fast i munnen”, säger Vonesh. ”Men det har vi verkligen inte införlivat i ens denna typ av grundmodeller.”

Att räkna ut ta reda på hur många grodynglar som har ätits, studenterna, doktoranderna, professorerna och en doktorand måste ta varje sista grodyngel ur varje tank för att räknas.Vonesh plockar upp en klar plastdrinkkopp från marken vid fötterna. Inuti finns en vattenfel som festade på grodyngel. ”Han är en stor kille”, säger han. Han sträcker sig in i en behållare med nätet och drar ut grodyngel en eller två åt gången och lägger dem i ett grunt plastkar.

”Är du redo?” frågar Randall Jimenez, doktorand vid National University of Costa Rica.

”Jag är redo,” säger Vonesh. Vonesh tipsar tanken när Jimenez håller ett nät under det strömmande vattnet. Killarna tittar på nätet för alla grodyngel som Vonesh saknade. ”Ser du någon?” Frågar Vonesh. ”Nej”, säger Jimenez. Det tar nästan 30 sekunder för vattnet att rinna ut. De flesta av forskarna bär höga gummistövlar för att skydda mot ormar, men de är användbara eftersom marken snabbt förvandlas till lera.

En flock brackles vandrar nonchalant genom gräset. ”De gillar att äta grodyngel”, säger Vonesh. ”De gillar att umgås och låtsas att de letar efter daggmaskar, men så snart du vänder ryggen är de i ditt badkar.”

Vonesh tar med sig sitt grodyngel till skjulet där Warkentin fotograferar den. En elev räknar grodyngelarna i varje bild. Insekter och fåglar sjunger från träden. Något faller – plinkar – på metalltaket. Ett godståg visslar från tågspåren som löper längs kanalen; en grupp tjurapa. skäller ett grymt svar från träden.

Till forskare som Warkentin erbjuder Gamboa lite regnskog ungefär en timmes bilresa från en internationell flygplats. ”Å, herregud. Det är så enkelt, säger hon. ”Det finns en risk att inte uppskatta hur fantastiskt det är. Det är en otrolig plats att arbeta.”

Under dagen hoppar de ikoniska groda grodorna inte om. Om du vet vad du är när du letar efter kan du hitta en enstaka vuxen man som klamrar sig fast vid ett blad som en blekgrön pillbox – benen vikta, armbågarna undangömda vid hans sida för att minimera vattenförlust. Ett membran mönstrat som en moskés snidade träfönsterskärm täcker varje öga. >

Den verkliga åtgärden är på natten, så en kväll besöker Warkentin, Vonesh och några gäster dammen för att leta efter grodor. Fåglarna, insekterna och aporna är tysta, men amfibie kvitterar och knirker fyller luften. En grodas samtal är ett tydligt, högt ”knack-knack!” En annan låter precis som en strålpistol i ett videospel. Skogen känns mer vild på natten.

Nära ett skjul klibbar en manlig rödögd trädgroda fast vid stjälken på ett brett blad. Små orange tår utbredda, han visar sin vita mage och breda röda ögon i ljuset av flera strålkastare. ”De har dessa fotogena hållningar,” säger Warkentin. ”Och de sitter bara där och låter dig ta en bild. De springer inte iväg. Vissa grodor är, som, så nervösa. ” Kanske är det därför som den rödögda trädgrodan har blivit känd, med sin bild på så många kalendrar, föreslår jag – de är lättare att fotografera än andra grodor. Hon korrigerar mig: ”De är sötare.”

Forskare tror att förfäderna till moderna grodor alla lade sina ägg i vatten. Kanske den röda ögon trädgrodan själv kunde ha utvecklat sina bladläggningsvanor som en resultat av fenotypisk plasticitet. Kanske en förfader dabblade i att lägga sina ägg ur vattnet, bara på riktigt våta dagar, för att komma bort från vattenlevande rovdjur – ett plastiskt sätt att hantera en farlig miljö – och detta drag överlämnades till dess ättlingar , som så småningom förlorade förmågan att lägga ägg i vatten alls.

Ingen vet om det var så det hände. ”Det var för länge sedan och inte längre mottagligt för sådana typer av experiment,” säger Warkentin .

Men spännande experiment på en annan typ av groda – en som kanske fortfarande navigerar övergången mellan vatten och land – pågår. Justin Touchon, en tidigare doktorand vid Warkentin, studerar hur timglasgrodan, Dendropsophus ebraccatus, lägger sina ägg, som är mindre packade med gelé och mer benägna att torka ut än rödögda trädgrodor. En kvinnlig timglasgroda verkar välja var man ska lägga ägg baserat på fukt. Vid dammar skuggade av träd fann Touchon att de lägger ägg på löv ovanför vattnet, men vid varmare, mer utsatta dammar går äggen i vattnet.

I en studie som publicerades förra månaden fann att ägg var mer benägna att överleva på land om det var mycket regn, och mer sannolikt att överleva i vatten om nederbörden var knapp. Han tittade också på regnrekord för Gamboa under de senaste 39 åren och fann att den totala nederbörden inte har förändrats, men mönstret har: Stormar är större men mer sporadiska. Den förändringen i miljön skulle kunna leda till en förändring i hur timglassträdgrodorna reproducerar. ”Det ger ett fönster över vad som orsakade att rörelsen reproducerades på land”, säger Touchon – ett klimat som skiftat till mycket stadigt regn kunde ha gjort det säkrare för grodor att lägga ägg ur vattnet.

Warkentins grupp är baserad på bottenvåningen i Gamboa Elementary School, som stängdes på 1980-talet. En morgon sitter Warkentin på en gammal svängstol med dammiga armar vid ett pensionerat kontorsskrivbord och gör vad som ser ut som en grundskola hantverksprojekt.

På golvet till vänster sitter en vit hink med rader av gröna rektanglar som är tejpade på insidan. Hon sträcker sig ner och drar ut en. Det är ett blad, klippt med sax från en av de bredbladiga växterna vid den experimentella dammen, och på den finns en koppling av gelatinösa rödögda trädgrodaägg. Hon ritar av en tejpremsa och klibbar bladet på en blå plastrektangel, skuren från en picknickplatta av plast.

”Du kan göra en fantastisk mängd vetenskap med engångsbestick, tejp och galvaniserad tråd, säger hon.

Hon står kortet i en klar plastkopp med lite vatten i botten, där grodynglorna faller när de kläcker och fortsätter till nästa blad. Tadpoles kommer att vara en del av nya predationsexperiment.

Det finns ett stort förklaringsvärde i enkla modeller – men hon vill förstå hur naturen faktiskt fungerar. ”Vi försöker kämpa med det som är riktigt”, säger hon. ”Och verkligheten är mer komplicerad.”