Karen Warkentin, u visokim maslinastozelenim gumenim čizmama, stoji na obali betonskog jezerca na rubu panamske prašume. Povuče široki zeleni list još uvijek pričvršćen na granu i pokazuje sjajnu stezaljku jaja poput želatine. "Ovi momci su izlježivi", kaže ona.
Iz ove priče
[×] ZATVORI
Zmija s papagajima ulazi u jaja crvenih očiju žaba koja može odgovoriti na njen pristup. (Christian Ziegler) 
Voljeni simbol biološke raznolikosti, žaba crvenih očiju, prikazana ovdje u Panami, razvila je fleksibilnu strategiju za opstanak. (Christian Ziegler) 
Žaba jaja dan nakon što su položena. (Christian Ziegler) 
Jaja četiri dana nakon polaganja. (Christian Ziegler) 
Jaja se lijepe za list preko otvora za vodu. (Christian Ziegler) 
Padne za slobodno plivanje. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin kaže da su odluke o ponašanju embrija žaba možda složenije nego što smo zamislili. (Richard Schultz (3)) 
Zašto ispupčene crvene oči? Da iznenadite grabežljivce kako bi žaba mogla skočiti - znanstvenici to nazivaju "bojanjem straha". (Christian Ziegler) 
FOTOGALERIJA
Žabe crvenih očiju, Agalychnis callidryas, polažu jaja na lišće na rubu ribnjaka; kad se pupoljci izlegu, padaju u vodu. Jaje se obično izleže šest do sedam dana nakon što ga položi. Oni na koje Warkentin ukazuje, sudeći prema njihovoj veličini i obliku, stari su oko pet dana, kaže ona. Sitna tijela pokazuju se kroz prozirnu membranu napunjenu gelom. Pod mikroskopom samo bi bila vidljiva crvena srca.
Pruža ruku dolje u vodi u ribnjaku. „Oni se zapravo ne žele izleći“, kaže, „ali mogu.“ Izvlači list preko vode i lagano provodi prstom po jajima.
Sproing! Izbije se sićušna pupoljka. Spušta se dijelom niz list, trza se i pada u vodu. Slijede još jedna i druga njezina braća. "Nisam umorna od gledanja", kaže Warkentin.
Warkentin je samo jednim prstom pokazao fenomen koji transformira biologiju. Nakon što desetljećima razmišljaju o genima kao "nacrtu" - kodirani DNK lanci diktiraju našim stanicama točno što treba učiniti i kada to učiniti - biolozi se suočavaju s zbunjujućom stvarnošću. Život, čak i entitet naoko jednostavan kao žablje jaje, fleksibilan je. Ima mogućnosti. U pet ili više dana, jajašca žaba crvenih očiju, razvijaju se točno prema rasporedu, mogu odjednom krenuti drugačijim putem ako otkriju vibracije u napadu zmija: Izležu se rano i okušaju sreću u bazenu ispod.
Iznenađujuća reakcija jajeta otkriva revolucionarni koncept u biologiji koji se naziva fenotipska plastičnost, a to je fleksibilnost koju organizam pokazuje prevodeći svoje gene u fizičke značajke i radnje. Fenotip je gotovo sve o organizmu osim njegovih gena (koje znanstvenici nazivaju genotipom). Koncept fenotipske plastičnosti služi kao protuotrov za pojednostavljeno razmišljanje o uzrocima i posljedicama o genima; pokušava objasniti kako gen ili skup gena mogu dovesti do višestrukih ishoda, djelomično, ovisno o tome što se organizam susreće u svojoj okolini. Istraživanje evolucije toliko je usredotočeno na same gene da su, kaže Warkentin, znanstvenici pretpostavili da su "pojedinci različiti jer su genetski različiti. Ali mnoge varijacije dolaze iz utjecaja na okoliš. "
Kad kućna biljka napravi blijeđe lišće na suncu i vodena buva uzgaja bodlje kako bi se zaštitila od gladnih riba, pokazuju fenotipsku plastičnost. Ovisno o okruženju - bilo da postoje zmije, uragani ili nedostatak hrane - organizmi mogu otkriti različite fenotipe. Priroda ili njegovanje? Pa, oboje.
Shvaćanje ima velike implikacije na način na koji znanstvenici razmišljaju o evoluciji. Fenotipska plastičnost nudi rješenje ključne zagonetke o tome kako se organizmi prilagođavaju okolišnim izazovima, namjerno ili ne. I nema nevjerojatnijeg primjera urođene fleksibilnosti od ovih žabjih jajašca - slijepe mase Goo-a genetski programirane da se razvijaju i izlijeću poput kazaljke na satu. Ili se tako činilo.
Izlasci crvenih očiju stabala izranjaju gladne zmije dugo vremena prije nego što je Warkentin počeo proučavati taj fenomen prije 20 godina. „Ljudi nisu pomislili da jaja imaju mogućnost pokazati takvu vrstu plastičnosti“, kaže Mike Ryan, njen doktorat na Sveučilištu Texas u Austinu. "Bilo je vrlo jasno, dok je radila doktorsku tezu, da je to vrlo, vrlo bogato područje koje je sama izmislila."
Karen Martin, biologinja sa Sveučilišta Pepperdine, također proučava izmrzavanje plastike. "Izlječenje kao odgovor na neku vrstu prijetnje je vrlo važan uvid", kaže Martin. „Mislim da je ona prva imala zaista dobar primjer toga.“ Ona hvali Warkentinin uporni napor da nauči velike lekcije iz bioloških jajašaca: „Mislim da bi mnogi ljudi pogledali ovaj sustav i rekli:„ Evo vrsta čudne stvari iz koje sam mogao izvaditi neke papire, a sada ću krenuti dalje i pogledati neku drugu životinju. ' Ona se posvetila razumijevanju ovog sustava. "
Warkentinova istraživanja "natjeraju nas da pažljivije razmislimo kako organizmi reagiraju na izazove čak i vrlo rano u životu", kaže Eldredge Bermingham, evolucijski biolog i direktor Instituta za tropska istraživanja Smithsonian (STRI, izgovarano "str-eye") u Gamboi, Panama. Warkentin, profesor biologije na Sveučilištu u Bostonu, provodi terenske studije na STRI. Tu mi je pokazala kako izgrize jaja kako bi se izvadila.
Kadice koje skaču s mokrog lišća još uvijek imaju malo žumanjka na trbuhu; vjerovatno neće trebati jesti još dan i pol. Warkentin nastavlja trljati dok ih ne ostane samo nekoliko, tvrdoglavo se skrivajući unutar svojih jaja. "Nastavite", govori im. "Ne želim vas sve ostaviti ovdje."
Posljednji od pupoljka sleti u vodu. Predatorske bube poznate kao backswimmers čekaju na površini, ali Warkentin kaže da je spasila ljepotice od još gore sudbine. Njihova je majka propustila trag, položivši ih na list koji nije dopirao do ribnjaka. "Kad bi se izlegli na tlu", kaže ona, "tada bi oni bili samo hrana za mravlje."
***
Warkentin je rođena u Ontariju, a njezina se obitelj preselila u Keniju kad je imala 6 godina. Otac je radio s Kanadskom agencijom za međunarodni razvoj kako bi obučavao učitelje u novoj neovisnoj zemlji. Tada se zainteresirala za tropsku biologiju, igrala se s kameleonima i gledala žirafe, zebre i gazele na putu za školu u Nairobiju. Njezina se obitelj vratila u Kanadu nekoliko godina kasnije, ali sa 20 je otišla autostopiranjem i backpakiranjem po Africi. "To se u mojoj obitelji činilo potpuno razumnim", kaže ona.
Prije nego što je započeo doktorat, otišla je u Kostariku kako bi saznala više o tropima i potražila istraživačku temu. Zemaljska jaja crvene oči žaba privukla su je na zanimanje. Stalno je posjećivala isti ribnjak i promatrala ga.
"Imao sam iskustva - za koju sam siguran da su je imali i drugi tropski herpetolozi i možda nisam razmišljao o tome - ako imate spojke u kasnoj fazi, ako naletite na njih, oni će vas zasmetati", kaže Warkentin, "Naleteo sam na kvačilo i svi su izbacivali napolje."
Vidjela je i zmije na ribnjaku. "Ono što sam mislila je, vau, pitam se što bi se dogodilo da zmija naleti na njih", kaže ona i smije se. "Kao, s ustima?" Doista je otkrila da ako se zmija pokaže i počne napadati kvačilo, jaja se izlegu rano. Embrioni unutar jajašaca mogu čak otkriti razliku između zmije i ostalih vibracija na listu. "To je stvar izlaska na teren i gledanja životinja", kaže ona. "Reći će vam stvari koje ponekad niste očekivali."
Biolozi su mislili da je ta vrsta fleksibilnosti dobila put za proučavanje evolucije, kaže Anurag Agrawal, evolucijski ekolog sa Sveučilišta Cornell. Više ne. Uzbudljivo je što je Warkentin dokumentirao divne nove stvari o karizmatičnoj žabi, ali Agrawal kaže da tu ima puno više. "Mislim da je zaslužna za to što ga je prevagnula iznad" zvižduka "i postavila neka od idejnih pitanja iz ekologije i evolucije."
Koje su prednosti jedne taktike preživljavanja nad drugom? Čak i 5-dnevna žaba mora uravnotežiti dobrobit izbjegavanja gladne zmije protiv troškova ranog izlijevanja. I, u stvari, Warkentin i njezini kolege dokumentirali su da su mladunci ranog izležavanja manje vjerojatni da će njihova braća kasno izležavati preživjeti do odrasle dobi, posebno u prisutnosti gladnih vučjih nimfa.
Plastičnost ne omogućuje samo da se žabe u trenu nose s izazovima; moglo bi čak kupiti vrijeme da se dogodi evolucija. Warkentin je otkrio da se i tadpolovi rano izležu ako im prijeti opasnost od presušivanja. Ako bi prašuma postupno postajala suha, takvo rano izležavanje može postati standardno nakon bezbroj generacija, a žaba može izgubiti svoju plastičnost i evoluirati u novu, brzo izlijevajuću vrstu.
Jedan od temelja evolucijskog mišljenja je da su nasumične genetske mutacije u DNK organizma ključ za prilagođavanje izazovu: Slučajno se mijenja niz slijeda gena, pojavljuje se nova osobina, organizam prelazi na svoj promijenjeni DNK na sljedeći generacija i na kraju rađa drugačiju vrstu. U skladu s tim, prije desetaka milijuna godina, neki su kopneni sisavci stekli mutacije koje mu omogućavaju da se prilagodi životu u oceanu - a njegovi su potomci kitovi koje poznajemo i volimo. Ali plastičnost nudi drugu mogućnost: Sam gen ne mora mutirati da bi se dobio nova osobina na površini. Umjesto toga, nešto u okolini moglo bi potaknuti organizam na promjene, uvlačenjem varijacija koje su već u njegovim genima.
Dakako, teorija da plastičnost zapravo može stvoriti nove osobine je kontroverzna. Njezin glavni zagovornik je Mary Jane West-Eberhard, pionirska teorijska biologinja iz Kostarike povezana s STRI-jem i autorica utjecajne knjige Razvojna plastičnost i evolucija iz 2003. godine. "20. stoljeće naziva se stoljećem gena", kaže West-Eberhard. "21. stoljeće obećava stoljeće okoliša." Ona kaže kako je mutacijsko usmjereno mišljenje "evoluciona teorija u poricanju." Darwin, koji nije ni znao da geni postoje, imao je to pravo, kaže: Ostavio je otvoren mogućnost da bi se nove karakteristike mogle pojaviti zbog utjecaja okoline.
West-Eberhard kaže da je Warkentinova skupina "pokazala iznenađujuću sposobnost sićušnih zametaka da donose prilagodljive odluke zasnovane na izvrsnoj osjetljivosti na svoje okruženje." Takva varijacija, kaže West-Eberhard, "može dovesti do evolucijske diverzifikacije stanovništva."
Iako se ne slažu svi sa West-Eberhardovom teorijom kako plastičnost može donijeti novost, mnogi znanstvenici sada misle da će se fenotipska plastičnost pojaviti kad organizmi žive u okruženju koje varira. Plastičnost može dati biljkama i životinjama vremena da se prilagode kada se bacaju u potpuno novo okruženje, primjerice kada se sjeme ispuše na otok. Sjeme koje nije toliko izbirljivo u pogledu svojih temperatura i svjetlosnih potreba moglo bi se bolje provesti na novom mjestu - i možda neće trebati čekati prilagođavajuće mutacije.
Također, mnogi znanstvenici misle kako plastičnost može pomoći organizmima da isprobaju nove fenotipe, a da im se u potpunosti ne posvete. Na primjer, rano izleđivanje Različite vrste žaba uvelike se razlikuju po tome koliko su razvijene u trenutku izlijevanja. Neki imaju stršljen rep i jedva plivaju; ostale su potpuno oblikovane, četveronožne životinje. "Kako dobivate takvu evoluiranu varijaciju?", Pita Warkentin. "Igra li plastičnost u vremenu valjenja u tome? Ne znamo, ali to je sasvim moguće. "
***
Grad Gamboa sagradila je između 1934. i 1943. godine Panama Canal Company, američka vladina korporacija koja je upravljala kanalom sve do 1979., kada je predan Panami. Gamboa, na rubu prašume, dio je gradova duhova, dijelom spavaće zajednice za grad Panama i dijelom znanstvenog ljetnog kampa. Poprilično stanovnika je znanstvenik i osoblje na STRI.
Kad sam posjetila, Warkentinov tim imao je do desetak ljudi, uključujući nekoliko studenata koji ih naziva "djecom". Jednog jutra posjed živahnog izgleda mladih ljudi u gumenim čizmama, ruksacima i šeširima na visini odlazi u Warkentinovu laboratoriju i korake preko terena iza škole, pored teniskih terena.
James Vonesh, profesor na Sveučilištu Virginia Commonwealth, koji je postdoktorsko zajedništvo s Warkentinom i još uvijek surađuje s njom, ističe svoj omiljeni znak u gradu, zastoj iz ere Canal Zone: "No Necking." Oslikan je na prednjoj strani tribine na starom bazenu, sada dio lokalnog sportskog vatrogasnog kluba. Zatim objašnjava jednom od djece što znači "vezanje".
Hodaju niz cestu u rasadnik za autohtone biljke, prelaze rov na pješačkom mostu i stižu do eksperimentalnog ribnjaka. Izgrađena je od betona prema specifikacijama koje su dali Warkentin i Stan Rand, ugledni istraživač žaba iz tvrtke STRI, koji su umrli 2005. godine.
Na dalekoj strani ribnjaka nalazi se istraživačko područje grupe, omeđeno jarkom s jedne strane i potokom, s druge strane prašumom. Postoji metalno krovište s otvorenim stranama, okruženo desecima spremnika stoke od 100 galona koji su korišteni u eksperimentima. Izgledaju kao kante namijenjene nizu ekstremno velikih curenja. Vonesh govori o vodovodnom sustavu s više entuzijazma nego što se čini moguće. "Spremnik za stoku možemo napuniti za tri ili četiri minute!", Uzvikne on.
Sve to brzo punjenje znači da istraživači mogu napraviti brze eksperimente o kojima drugi vodeni ekolozi mogu samo sanjati. Danas su demontirali eksperiment na grabljivicama. Prije četiri dana u svaki od 25 spremnika stavljeno je 47 pupoljaka, zajedno s jednim Belostomatidom, vrstom vodene kukce koja jede tadpole. Danas će prebrojati tadpole da bi otkrili koliko su Belostomatidi pojeli.
Ogromni plavi leptir morfova leprša pored, prekrivajućih krila šokantnim pljuskom električne plave boje protiv bujne zelene šume. "Oni dolaze poput istog mjesta u isto doba dana", kaže Warkentin.
"Kunem se da to vidim svako jutro", kaže Vonesh.
"To je morfo u 9:15", kaže Warkentin.
Warkentin objašnjava eksperiment koji završavaju danas. "Znamo da predatori ubijaju plijen, očito, i oni također plaše plijen", kaže ona. Kad mladunčevi koji se izleguše padnu u ribnjak, vodene bube jedna su od prijetnji s kojima se susreću. Plastičnost lopata može im pomoći da ih ne pojedu - ako mogu otkriti bube i nekako reagirati.
Ekolozi su razvili matematičke jednadžbe koje opisuju koliko plijen grabljivac može jesti, a elegantni grafovi pokazuju kako populacija raste i opada kako jedna jede drugu. Ali što se zapravo događa u prirodi? Znači li veličina? Koliko jednodnevnih mladunaca pojede potpuno odrasli kukac u vodi? Koliko starijih, masnijih pupoljaka? "Očito mislimo da smo male stvari lakše uhvatiti, pojesti i zabiti u usta", kaže Vonesh. "Ali mi to stvarno nismo ugradili ni u ove vrste osnovnih modela."
Da bi shvatili koliko je pojedenih mlatara, studenti, diplomirani studenti, profesori i postdoktorski kolege moraju izvući svaki posljednji šalicu vode iz svakog spremnika koji će se brojati. Vonesh uzima noge bistru plastičnu šalicu pića sa zemlje. Unutar je vodeni kukac koji se gostio na pupoljcima. "Veliki je momak", kaže on. On posegne u rezervoar s mrežom, izvadi jedanput ili dva jedanput po jedan i stavi ih u plitku plastičnu kadu.
"Jeste li spremni?" Pita Randall Jimenez, diplomski student Nacionalnog sveučilišta u Kostariki.
"Spreman sam", kaže Vonesh. Vonesh savjetuje rezervoar dok Jimenez drži mrežu ispod vode koja je pukla. Momci paze na mrežu za bilo kakve šljokice koje je Vonesh propustio. "Vidite li koga?", Pita Vonesh. "Ne", kaže Jimenez. Za izlijevanje vode potrebno je gotovo 30 sekundi. Većina istraživača nosi visoke gumene čizme za zaštitu od zmija, ali one su korisne jer se tlo brzo pretvara u blato.
Jato grakala nonšalantno luta travom. "Oni vole jesti tadpole", kaže Vonesh. "Vole se družiti i pretvarati se da traže zemljane gliste, ali čim okrenete leđa, oni su u vašoj kadi."
Vonesh odvodi svoju kadicu sa šalicama do šupe gdje ju Warkentin fotografira. Učenik će prebrojati tadpole na svakoj slici. Insekti i ptice pjevaju s drveća. Nešto padne - klizanje - na metalni krov. Teretni vlak zviždi sa željezničkih pruga koje se kreću duž kanala; skupina majmuna kako zavijaju s drveća.
Znanstvenicima poput Warkentina, Gamboa nudi malo prašume oko sat vremena vožnje od međunarodne zračne luke. "O moj Bože. To je tako jednostavno ", kaže ona. "Postoji opasnost da ne shvatite koliko je to nevjerojatno. To je nevjerojatno mjesto za rad. "
Tijekom dana, kultne crvenooke žabe ne skaču. Ako znate što tražite, možete naći povremene odrasle mužjake koji se prikradaju za list poput blijedozelene pilule - noge savijene, a laktovi uvijeni uz bok kako bi se smanjili gubici vode. Membrana s uzorkom poput džamijskog rezbarenog ekranskog prozora pokriva svako oko.
Prava radnja je noću, pa jedne večeri Warkentin, Vonesh i neki gosti posjete jezerce da traže žabe. Ptice, insekti i majmuni su tihi, ali vodozemci cvrkutaju i škripaju ispune zrak. Jedan poziv žabe je jasan, glasan "knock-knock!", A drugi zvuči upravo poput zraka pištolja u videoigri. Šuma se noću osjeća divljom.
U blizini proljeća, mužjak crvene oči žaba pridržava se stabljikom širokog lišća. Sićušni narančasti nožni prsti rašireni, pokazuje bijeli trbuh i široke crvene oči pri svjetlu višestrukih prednjih svjetala. "Imaju ove fotogenične položaje", kaže Warkentin. "I oni samo sjede tamo i puste vas da se fotografirate. Oni ne bježe. Neke žabe su, poput, tako nervozne. "Možda je to razlog zašto se žaba sa crvenim očima raspoznala, s obzirom na sliku na toliko kalendarima, da ih je lakše fotografirati nego ostale žabe. Ispravlja me: "Cuter su."
Znanstvenici misle da su preci modernih žaba svoja jaja odlagali u vodu. Možda bi i sama žaba crvenookih stabala mogla razviti svoje navike polaganja lišća kao rezultat fenotipske plastičnosti. Možda je predak pokušao položiti svoja jaja iz vode, samo u zaista vlažnim danima, da se izvuče od vodenih grabežljivaca - plastični način suočavanja s opasnim okolišem - i taj je znak prenio na svoje potomke, koji su na kraju izgubili sposobnost uopće odlaganja jaja u vodu.
Nitko ne zna je li se tako dogodilo. "To je bilo jako davno i više nije bilo podložno takvim eksperimentima", kaže Warkentin.
Ali intrigantni eksperimenti na drugoj vrsti žabe - onoj koja možda još uvijek kreće tranzicijom između vode i kopna - su u tijeku. Justin Touchon, bivši doktorski studij Warkentina, proučava kako žaba stabla pješčane satnice, Dendropsophus ebraccatus, polaže svoja jaja, koja su manje nabijena želatinom i sklonija sušenju od crvenih očiju. Čini se da ženska žaba sa stabljikom sata bira mjesto gdje će odložiti jaja na osnovu vlage. U ribnjacima u sjeni drveća, otkrio je Touchon, oni će odlagati jaja na lišće iznad vode, ali na vrelijim, izloženijim ribnjacima, jaja idu u vodu.
U studiji objavljenoj prošlog mjeseca otkrio je da je vjerojatnije da će jaja preživjeti na kopnu ako bude puno kiše, i vjerojatnije su preživjeti u vodi ako je kiše bilo malo. Također je pregledao evidenciju kiše za Gambou u posljednjih 39 godina i ustanovio da, iako se ukupne količine kiše nisu promijenile, obrazac ima: Oluje su veće, ali sporadičnije. Ta promjena okoliša mogla bi biti pokretačka promjena u reprodukciji žaba sa pločicama. "To daje pregled onoga što je uzrokovalo kretanje reprodukcije na kopnu", kaže Touchon - klima koja se prebacivala u stalnu kišu mogla bi učiniti sigurnijim žabama za odlaganje jaja iz vode.
Warkentinova skupina temelji se na prizemlju osnovne škole Gamboa koja se zatvorila 1980-ih. Jednog jutra, Warkentin sjedi na drevnoj okretnoj stolici s prašnjavim rukama za uredskim stolom u mirovini, radeći tako kako izgleda projekt zanata.
Na podu s lijeve strane sjedi bijela kanta s redovima zelenih pravokutnika, zalijepljenih s unutarnje strane. Doseže dolje i izvuče je. To je komad lista, isječen eksperimentalnim ribnjakom škarama s jedne od biljaka širokog lista, a na njemu je stezanje želatinoznih jajašaca crvenih očiju. Ona skida traku s trake i lijepi komad lista na plavi plastični pravokutnik, izrezan s plastične ploče za piknik.
"Možete napraviti nevjerojatnu količinu znanosti s posudom za jednokratnu upotrebu, vodenom vrpcom i pocinčanom žicom", kaže ona.
Ona stoji karticu u bistroj plastičnoj šalici s malo vode na dnu, gdje će tadpole pasti kad se izlepe, i nastavlja prema sljedećem komadu lista. Kadice će biti dio novih pokusa predatore.
U jednostavnim je modelima velika objašnjenja - ali ona želi razumjeti kako priroda zapravo djeluje. "Pokušavamo shvatiti ono što je stvarno", kaže ona. "A stvarnost je složenija."
