Karen Warkentin, oblečena v visoke oljčno-zelene gumijaste škornje, stoji na bregu betonskega ribnika ob robu panamskega deževnega gozda. Potegne široki zeleni list, še vedno pritrjen na vejo, in pokaže sijočo sklopko jajčnih podobnih jajc. "Ti fantje so izločljivi, " pravi.
Iz te zgodbe
[×] ZAPRTA
Papiga kača prebiva na jajcih rdečih oči drevesnih žab, ki se lahko odzovejo na njen pristop. (Christian Ziegler) 
Ljubljeni simbol biotske raznovrstnosti, rdečeoka drevesna žaba, prikazana tukaj v Panami, je razvila fleksibilno strategijo za preživetje. (Christian Ziegler) 
Žabja jajca en dan po položitvi. (Christian Ziegler) 
Jajca štiri dni po polaganju. (Christian Ziegler) 
Jajca, ki se oprijemajo listja nad vodno odprtino. (Christian Ziegler) 
Ledje za prosto plavanje (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin pravi, da so vedenjske odločitve zarodkov žabjih zarodkov lahko bolj zapletene, kot smo si predstavljali. (Richard Schultz (3)) 
Zakaj izbočene rdeče oči? Presenetiti plenilce, da bi žaba lahko poskočila stran - znanstveniki pravijo, da je "obarvana." (Christian Ziegler) 
Foto galerija
Rdečelaste drevesne žabe, Agalychnis callidryas, odlagajo svoja jajca na listje na robu ribnikov; ko se valijo lopute, padejo v vodo. Običajno se jajce izleže šest do sedem dni po odlaganju. Tiste, na katere opozarja Warkentin, sodeč po njihovi velikosti in obliki, so stare približno pet dni, pravi. Drobna telesa se pokažejo skozi prozorno membrano, napolnjeno z gelom. Pod mikroskopom bi bila rdeča srca le vidna.
Seže navzdol, da zmoči roko v vodi v ribniku. "V resnici se ne želijo izvaliti, " pravi, "vendar se lahko." Izvleče list nad vodo in nežno potegne s prstom po jajcih.
Sproing! Izbruhne droben tadpole. Delno pristane po listju, se trza in pade v vodo. Sledi še en in še en njegov brat. "To se ne naveličam gledanja, " pravi Warkentin.
Warkentin je s samo s prstom prsta dokazal pojav, ki spreminja biologijo. Po desetletjih razmišljanja genov o "osnutku" - kodirani odseki DNK našim celicam narekujejo natanko, kaj in kdaj storiti - se biologi sprijaznijo z zmedeno resničnostjo. Življenje, celo celota, ki je na videz preprosta kot žabje jajce, je prožna. Ima možnosti. V petih dneh ali več tako lahko jajca rdečih oči drevesnih žab, ki se razvijajo točno po urniku, nenadoma začnejo po drugi poti, če zaznajo vibracije napadalne kače: Zgodaj se izležejo in poskusijo srečo v spodnjem ribniku.
Presenetljiva odzivnost jajčeca kaže na revolucionarni koncept v biologiji, imenovan fenotipska plastičnost, kar je prožnost, ki jo organizem pokaže pri prevajanju svojih genov v fizične lastnosti in dejanja. Fenotip je skoraj vse o organizmu, ki ni njegov gen (ki ga znanstveniki imenujejo genotip). Koncept fenotipske plastičnosti služi kot protistrup za poenostavljeno razmišljanje o genih; poskuša razložiti, kako lahko gen ali niz genov povzroči več rezultatov, deloma odvisno od tega, kaj organizem naleti v svojem okolju. Raziskovanje evolucije je bilo tako dolgo osredotočeno na same gene, da so, pravi Warkentin, znanstveniki domnevali, da so "posamezniki različni, ker so gensko različni. Vendar veliko različnih možnosti prihaja od vplivov na okolje. "
Ko sobna rastlina na soncu naredi bolj blede liste in vodna bolha zraste bodice za zaščito pred lačnimi ribami, kažejo fenotipsko plastičnost. Odvisno od okolja - ali so kače, orkani ali pomanjkanje hrane, s katerimi se je treba spoprijeti - organizmi lahko pojavijo različne fenotipe. Narava ali negovanje? No, oboje.
Izvedba ima velike posledice za to, kako znanstveniki razmišljajo o evoluciji. Fenotipska plastičnost ponuja rešitev ključne uganke, kako se organizmi namerno ali ne prilagajajo izzivom v okolju. In ni bolj presenetljivega primera prirojene fleksibilnosti od teh žabjih jajc - slepe mase goa, ki so gensko programirane, da se razvijajo in lovijo kot uri. Ali tako se je zdelo.
Izlivi žab z rdečimi očmi so lačne kače izmikali že dolgo, preden je Warkentin začel proučevati pojav pred 20 leti. "Ljudje niso pomislili, da bi jajca lahko pokazala tovrstno plastičnost, " pravi Mike Ryan, njen doktorski svetovalec na Teksaški univerzi v Austinu. "Ko je delala doktorsko disertacijo, je bilo jasno, da je to zelo, zelo bogato področje, ki si ga je sama izmislila."
Karen Martin, biologinja z univerze Pepperdine, prav tako preučuje valilno plastičnost. "Sovraženje kot odziv na nekakšno grožnjo je bil zelo pomemben vpogled, " pravi Martin. "Mislim, da je bila prva zares primer tega." Pohvali Warkentinovo trajno prizadevanje, da se iz žabjih jajc nauči velikih lekcij iz biologije: "Mislim, da bi lahko veliko ljudi pogledalo ta sistem in reklo:" Tukaj je nekakšna čudaška stvar, iz katere bi lahko spravila nekaj papirjev, zdaj pa grem naprej in pogledam kakšno drugo žival. " Posvetila se je razumevanju tega sistema. "
Warkentinova raziskava "povzroči, da bolj natančno razmišljamo o tem, kako se organizmi odzovejo na izzive že zelo zgodaj v življenju, " pravi Eldredge Bermingham, evolucijski biolog in direktor Inštituta za tropske raziskave Smithsonian (STRI, izgovarja "str-eye") v Gamboi, Panama Warkentin, profesorica biologije na bostonski univerzi, izvaja terenske študije na STRI. Tam mi je pokazala, kako si meši jajca, da se vali.
Lopovi, ki skačejo z mokrega lista, imajo na trebuhu še malo rumenjaka; verjetno jim ne bo treba jesti še en dan in pol. Warkentin nenehno drgne, dokler jih ne ostane le nekaj, trmasto se skrivajo v svojih jajcih. "Pojdi, " jim reče. "Ne želim vas sam pustiti tukaj."
Zadnji od lopov pristane v vodi. Plenilski hrošči, znani kot zatiralci, čakajo na površju, Warkentin pa pravi, da jo je lopute rešila pred hujšo usodo. Njihova mati je zgrešila znamko in jih položila na list, ki ni segel čez ribnik. "Če bi se izvalili na tleh, " pravi, "bi bili samo hrana za mravlje."
***
Warkentin se je rodila v Ontariu, njena družina pa se je preselila v Kenijo, ko je bila stara 6. Njen oče je sodeloval s Kanadsko agencijo za mednarodni razvoj, da bi učil učitelje v novo neodvisni državi. Takrat se je začela zanimati za tropsko biologijo, se igrati s kameleoni in opazovati žirafe, zebre in gazele na poti do šole v Nairobiju. Njena družina se je čez nekaj let vrnila v Kanado, a pri 20 letih se je odpravila s hitrim kolesom in nahrbtnikom po Afriki. "To se je zdelo popolnoma smiselno v moji družini, " pravi.
Preden je doktorirala, je odšla na Kostariko, da bi izvedela več o tropih in iskala raziskovalno temo. Kopenska jajca rdečeoke drevesne žabe je vzbudila zanimanje. Vedno znova in znova je obiskala isti ribnik in opazovala.
"Imel sem izkušnjo - za katero sem prepričan, da so jo imeli že drugi tropski herpetologi in na katero morda nisem pomislil - če imaš sklopko v pozni fazi, če naletiš nanje, te bodo zaslepile, " pravi Warkentin . "Naletel sem na sklopko in vsi so se odrezali."
Videla je tudi kače pri ribniku. "Kar sem si mislila, vau, sprašujem se, kaj bi se zgodilo, če bi kača naletela nanje, " pravi in se smeji. "Kot z usti?" Dejansko je ugotovila, da če se kača pojavi in začne napadati sklopko, se jajca zgodaj izvalijo. Zarodki znotraj jajčeca lahko celo povedo razliko med kačo in drugimi vibracijami na listu. "To je stvar, ko gremo na teren in opazujemo živali, " pravi. "Povedali vam bodo stvari, ki jih včasih niste pričakovali."
Biologi so mislili, da se je tovrstna prilagodljivost preučila na način preučevanja evolucije, pravi Anurag Agrawal, evolucijski ekolog z univerze Cornell. Nič več. Vznemirljivo je, da je Warkentin dokumentiral čudovite nove stvari o karizmatični žabi, toda Agrawal pravi, da je veliko več. "Mislim, da je zaslužna za to, da jo je prevzela onkraj" gee whiz "in postavila nekaj idejnih vprašanj v ekologiji in evoluciji."
Kakšne so prednosti ene taktike preživetja pred drugo? Tudi 5-dnevna žaba mora uravnotežiti korist, da se lačni kači izognemo stroškom zgodnjega izvalitve. In Warkentin in njeni sodelavci so pravzaprav dokumentirali, da je zgodnje izlivanje tadpolov manj verjetno kot njihovi bratci, ki se pozno izvalijo, preživeti do odraslosti, zlasti v prisotnosti lačnih kačjih nimf.
Plastičnost ne omogoča, da se žabe v tem trenutku spopadejo z izzivi; lahko celo kupi čas, da se zgodi evolucija. Warkentin je ugotovil, da se tudi tadpolovi zgodaj izležejo, če obstaja nevarnost, da se izsušijo. Če bi deževni gozd postopoma postajal bolj suh, bi lahko takšno zgodnje valjenje postalo standardno po neštetih generacijah in žaba bi lahko izgubila svojo plastičnost in se razvila v novo, hitro izlivajočo se vrsto.
Eno od temeljev evolucijskega razmišljanja je, da so naključne genetske mutacije v DNK organizma ključnega pomena za prilagajanje izzivu: Po naključju se zaporedje gena spremeni, pojavi se nova lastnost, organizem prenese svojo spremenjeno DNK na naslednjo generacija in sčasoma rodi drugačno vrsto. V skladu s tem je pred več deset milijoni let nekaj kopenskih sesalcev pridobilo mutacije, s katerimi se je lahko prilagodilo življenju v oceanu, njegovi potomci pa so kiti, ki jih poznamo in ljubimo. Plastičnost pa ponuja še eno možnost: Genu sam ne mora mutirati, da bi se lahko pojavila nova lastnost. Namesto tega bi lahko nekaj v okolju spodbudilo organizem, da naredi spremembe, in sicer tako, da uporabi spremembe, ki so že v njegovih genih.
Seveda je teorija, da lahko plastičnost dejansko povzroči nove lastnosti, sporna. Njen glavni zagovornik je Mary Jane West-Eberhard, pionirska teoretična biologinja iz Kostarike, povezana s STRI in avtorica vplivne knjige Razvojna plastičnost in evolucija iz leta 2003. "20. stoletje se imenuje stoletje gena, " pravi West-Eberhard. "21. stoletje obljublja, da bo stoletje okolja." Pravi, da je razmišljanje, usmerjeno v mutacijo, "evolucijska teorija zanikanja." Darwin, ki sploh ni vedel, da obstajajo geni, je imel prav, pravi: pustil je odprt možnost, da bi se zaradi vplivov okolja lahko pojavile nove lastnosti.
West-Eberhard pravi, da je Warkentinova skupina "pokazala presenetljivo sposobnost drobnih zarodkov, da sprejemajo prilagodljive odločitve, ki temeljijo na izjemni občutljivosti za njihovo okolje." Takšna različica, pravi West-Eberhard, "lahko privede do evolucijske diverzifikacije med prebivalstvom."
Čeprav se vsi ne strinjajo z West-Eberhardovo teorijo, kako bi lahko plastičnost prinesla novost, danes mnogi znanstveniki mislijo, da se bo pojavila fenotipska plastičnost, ko organizmi živijo v okolju, ki se spreminja. Plastičnost lahko daje rastlinam in živalim čas, da se prilagodijo, ko jih odlagajo v povsem novem okolju, na primer, ko semena odpihnejo na otok. Seme, ki ni tako izbirčno glede svojih temperaturnih in svetlobnih potreb, bo morda na novem mestu boljše - in morda ne bo treba čakati, da pridejo prilagodljive mutacije.
Prav tako mnogi znanstveniki menijo, da lahko plastičnost pomaga organizmom pri preizkušanju novih fenotipov, ne da bi se jim popolnoma posvetili. Zgodnje valjenje, na primer. Različne vrste žab se zelo razlikujejo glede na razvoj, ko se izležejo. Nekateri imajo trmast rep in komaj plavajo; druge so popolnoma oblikovane, štirinožne živali. "Kako dobite takšno različico?" Se vpraša Warkentin. „Ali pri tem igra plastičnost v času izvalitve? Ne vemo, vendar je to povsem mogoče. "
***
Mesto Gamboa je med leti 1934 in 1943 zgradilo podjetje Panama Canal Company, ameriška vladna korporacija, ki je kanal nadzirala do leta 1979, ko ga je izročil Panami. Gamboa, na robu deževnega gozda, je del mest duhov, del spalnice za mesto Panama City in del znanstveni poletni tabor. Kar nekaj prebivalcev je znanstvenikov in zaposlenih na STRI.
Ko sem obiskal, je Warkentinova ekipa štela do ducat ljudi, med njimi tudi nekaj dodiplomskih študentov, ki jih imenuje "otroci." čez polje za šolo, mimo teniških igrišč.
James Vonesh, profesor na univerzi Virginia Commonwealth, ki je postdoktorsko štipendiral z Warkentinom in še vedno sodeluje z njo, poudarja svoj najljubši znak v mestu, zavetišče iz obdobja cone Canal: "No Necking." Na sliki je naslikan. stojnice ob starem bazenu, ki je zdaj del lokalnega gasilskega športnega društva. Nato enemu od otrok razloži, kaj pomeni "vezanje".
Stopijo po cesti v drevesnico za avtohtone rastline, prečkajo jarek na brvi in prispejo do eksperimentalnega ribnika. Zgrajena je bila iz betona po specifikacijah, ki sta jih zagotovila Warkentin in Stan Rand, ugledna raziskovalca žab na STRI, ki sta umrla leta 2005.
Na skrajni strani ribnika je raziskovalno območje skupine, ki ga na eni strani omejuje jarek in potok, na drugi strani deževni gozd. Tam je lopa s kovinsko streho z odprtimi stranmi, obdana z desetinami 100-litrskih rezervoarjev za govedo, uporabljenih v poskusih. Videti so kot vedra, ki ujamejo niz izjemno velikih puščanj. Vonesh o vodovodnem sistemu govori z več navdušenja, kot se zdi. "Rezervoar za govedo lahko napolnimo v treh ali štirih minutah!" Vzklikne.
Vse, kar hitro polnjenje pomeni, da lahko raziskovalci izvajajo hitre poskuse, o katerih drugi vodni ekologi lahko samo sanjajo. Danes razstavljajo poskus na plenilstvu. Pred štirimi dnevi so v vsakega od 25 rezervoarjev postavili 47 lovilcev skupaj z enim Belostomatidom, nekakšnim vodnim hroščem, ki jedo kraglice. Danes bodo prešteli lopove, da bodo ugotovili, koliko so pojedli Belostomatidi.
Ogromen modri metulj metulja se spogleduje s svojimi prelivnimi krili šokantno brizganjem električne modre barve ob bujnem zelenem gozdu. "Prihajajo mimo istega dne v istem kraju, " pravi Warkentin.
"Prisežem, da to vidim vsako jutro, " pravi Vonesh.
"Morfo je ob 9:15, " pravi Warkentin.
Warkentin pojasni eksperiment, ki ga končajo danes. "Vemo, da plenilci očitno ubijajo plen, plen pa tudi prestrašijo, " pravi. Ko novodobne mravljice padejo v ribnik, so vodne hrošče ena od groženj, s katerimi se soočajo. Plastičnost navadnih lupin jim lahko pomaga, da jih ne bodo pojedli - če bodo odkrili hrošče in se nekako odzvali.
Ekologi so razvili matematične enačbe, ki opisujejo, koliko plena bi moral plenilec jesti, elegantni grafi pa prikazujejo, kako se populacija povečuje in pada, ko ena poje drugo. Toda kaj se v resnici dogaja v naravi? Ali je velikost pomembna? Koliko enodnevnih mravljinčkov poje popolnoma odraščen vodni hrošč? Koliko starejših, debelejših krakov? "Očitno mislimo, da je majhne stvari lažje ujeti, pojesti in zabiti v usta, " pravi Vonesh. "Toda tega v resnici nismo vključili niti v te vrste osnovnih modelov."
Da bi ugotovili, koliko požrtih pojestj, morajo študentje, podiplomski študentje, profesorji in podoktorski sodelavci iz vsake posode, ki jo bodo šteli, izvleči vsak zadnji ščitnik. Vonesh mu od noge dvigne prozorno plastično skodelico pijače. V notranjosti je vodni hrošček, ki se je pojedel na lupinicah. "Je velik fant, " pravi. Z mrežo seže v rezervoar, enega ali dva naenkrat izvleče potilke in jih položi v plitvo plastično kad.
"Ste pripravljeni?" Vpraša Randall Jimenez, študent na Nacionalni univerzi v Kostariki.
"Pripravljen sem, " pravi Vonesh. Vonesh nasveti cisterno, medtem ko Jimenez drži mrežo pod vrtoglavo vodo. Fantje gledajo v mrežo za morebitnimi tadpoli, ki jih je Vonesh zgrešil. "Ste koga videli?" Vpraša Vonesh. "Ne, " pravi Jimenez. Skoraj 30 sekund traja, da voda odteče. Večina raziskovalcev nosi visoke gumijaste škornje za zaščito pred kačami, vendar so koristni, ker se tla hitro spremenijo v blato.
Jata grack nonšalantno se sprehaja po travi. "Radi jedo kraglice, " pravi Vonesh. "Radi se družijo in se pretvarjajo, da iščejo deževnike, a ko obrneš hrbet, so v kadi."
Vonesh odpelje svojo kad z mravljinci v lopo, kjer jo Warkentin fotografira. Študent bo na vsaki sliki preštel tadpole. Žuželke in ptice pojejo z dreves. Na kovinsko streho se nekaj pusti - trzati. Tovorni vlak žvižga z železniških tirov, ki vozijo ob kanalu; skupina zajebanih opic laje iz dreves z lahkim odzivom.
Znanstvenikom, kot je Warkentin, Gamboa ponuja nekaj deževnega gozda približno eno uro vožnje od mednarodnega letališča. "O moj bog. To je tako enostavno, "pravi. "Obstaja nevarnost, da ne bomo cenili, kako neverjetno je. To je neverjetno mesto za delo. "
Čez dan se ikonične rdečeoske žabe ne skačejo. Če veste, kaj iščete, lahko najdete občasnega odraslega moškega, ki se je prilepil na listje kot bledo zelena klobčiča - noge so zložene, komolci ob strani, da bi zmanjšali izgubo vode. Vsako oko pokriva membrana, ki je podobna džamijskemu izrezljanemu okenskemu zaslonu.
Prava akcija je ponoči, zato nekega večera Warkentin, Vonesh in nekateri gostje obiščejo ribnik, da bi iskali žabe. Ptice, žuželke in opice so tihe, vendar dvoživke in škripci polnijo zrak. Klic ene žabe je jasen, glasen "knock-knock!", Drugi pa sliši natančno kot pištola za žarke v videoigri. Gozd se ponoči počuti bolj divje.
V bližini lope se moški rdečeoke drevesne žabe prilepi na steblo širokega lista. Drobni oranžni prsti se razprostirajo, pokaže svoje bel trebuh in široke rdeče oči v luči več žarometov. "Imajo te fotogenične položaje, " pravi Warkentin. "In samo sedijo tam in vas fotografirajo. Ne bežijo. Nekatere žabe so tako zelo nervozne. "Mogoče se je zaradi tega rdečeoka drevesna žaba zaslovela s svojo sliko na toliko koledarjih - predlagam, da jih je lažje fotografirati kot druge žabe. Popravi me: "Cuter so."
Znanstveniki mislijo, da so predniki sodobnih žab vsi jajca položili v vodo. Mogoče bi lahko sama rdečelasa drevesna žaba razvila svoje navade polaganja listov kot posledica fenotipske plastičnosti. Mogoče se je prednik držal odlagati jajčeca iz vode, samo v resnično mokrih dneh, da bi se izognil vodnim plenilcem - plastičnim načinom ravnanja z nevarnim okoljem - in ta lastnost se je prenesla na njegove potomce, ki so na koncu izgubili zmožnost odlaganja jajc v vodo.
Nihče ne ve, če se je tako tudi zgodilo. "To je bilo zelo dolgo nazaj in ni več podvrženo tovrstnim poskusom, " pravi Warkentin.
Toda intrigantni poskusi na drugi vrsti žabe - tistemu, ki morda še vedno pluje med prehodom med vodo in kopnim - potekajo. Justin Touchon, nekdanji doktorski študent Warkentinove študije, kako drevesna žaba iz peščene ure Dendropsophus ebraccatus odlaga svoja jajčeca, ki so manj napolnjena z želejem in so bolj nagnjena k izsušitvi kot rdečeoske drevesne žabe. Zdi se, da ženska žabica iz peščenega stekla izbira, kam naj odloži jajca na podlagi vlažnosti. Pri ribnikih v senci z drevesi, je ugotovil Touchon, bodo ležala jajca na listih nad vodo, v bolj vročih, bolj izpostavljenih ribnikih pa jajca gredo v vodo.
V študiji, objavljeni prejšnji mesec, je ugotovil, da je jajce bolj verjetno, da bodo preživele na kopnem, če je bilo veliko dežja, in večja verjetnost, da bodo preživele v vodi, če je padavin malo. Ogledal si je tudi evidenco dežja za Gamboo v zadnjih 39 letih in ugotovil, da se kljub splošnemu padavinam ne spreminja vzorec: Nevihte so večje, vendar bolj sporadične. Ta sprememba v okolju bi lahko vplivala na razmnoževanje žabjih drevesnih ur. "To daje okno, kaj je povzročilo, da se je na kopnem pojavilo gibanje, " pravi Touchon, - podnebje, ki se je spremenilo v neprestano deževje, bi lahko žabam varnejše odlagalo jajca iz vode.
Warkentinova skupina ima sedež v pritličju osnovne šole Gamboa, ki se je zaprla v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Nekega jutra Warkentin sedi na starodavnem vrtljivem stolu s prašnimi rokami za upokojeno pisarniško mizo in dela tako, kot je videti na projektu obrtne šole.
Na tleh na njeni levi strani stoji belo vedro z vrsticami zelenih pravokotnikov, zalepljenih v notranjost. Seže navzdol in izvleče eno. To je kos listja, ki ga je s poskusnimi ribnikom razrezal s škarjami ene od širokolistnih rastlin, na njem pa sklop želatinastih jajčec drevesnih žab. Odtrga trak traku in prilepi kos lista na modri plastični pravokotnik, izrezan iz plastične plošče za piknik.
"Z veliko posodo za enkratno uporabo, vodnim trakom in pocinkano žico lahko naredite neverjetno količino znanosti, " pravi.
Kartico stoji v prozorni plastični skodelici z malo vode na dnu, kamor bodo padle kraglice, ko se bodo izlegle, in gre naprej do naslednjega koščka lista. Lopute bodo del novih poskusov plenilstva.
V preprostih modelih je zelo razlagalna vrednost, vendar želi razumeti, kako narava dejansko deluje. "Poskušamo se spoprijeti s resničnim, " pravi. "In resničnost je bolj zapletena."
