Karen Warkentin, purtând cizme înalte de cauciuc de culoare verde măslin, stă pe malul unui iaz cu căptușire din beton de la marginea pădurii tropicale panameze. Ea trage pe o frunză verde largă, încă atașată de o ramură și arată un ambreiaj strălucitor de ouă de jeleu. „Acești băieți sunt înșelători”, spune ea.
Din această poveste
[×] ÎNCHIS
Un șarpe papagal adăpostește ouă de broască cu ochi roșii, care pot răspunde demersului său. (Christian Ziegler) 
Un iubit simbol al biodiversității, broasca cu ochi roșii, prezentată aici în Panama, a evoluat o strategie flexibilă pentru supraviețuire. (Christian Ziegler) 
Ouă de broască într-o zi după ce au fost depuse. (Christian Ziegler) 
Ouă la patru zile după ce au fost depuse. (Christian Ziegler) 
Ouăle se agață de o frunză peste trapa de apă. (Christian Ziegler) 
Mâncăruri cu înot liber. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin spune că deciziile comportamentale ale embrionilor de broască pot fi mai sofisticate decât ne-am imaginat. (Richard Schultz (3)) 
De ce ochii roșii bombate? Pentru a surprinde prădătorii, astfel încât broasca să poată sări - oamenii de știință o numesc „colorația uimitoare”. (Christian Ziegler) 
Galerie foto
Broaște cu arbori roșii, Agalychnis callidryas, își depun ouăle pe frunziș la marginea iazurilor; când mormolele eclozează, cad în apă. În mod normal, un ou eclozează la șase până la șapte zile după ce a fost depus. Ea spune că cei pe care îi indică Warkentin, judecând după mărimea și forma lor, au aproximativ cinci zile. Corpurile minuscule apar prin membrana limpede plină de gel. La un microscop, inimile roșii ar fi doar vizibile.
Ea coboară să-și ude mâna în apa iazului. „Nu prea vor să eclozeze”, spune ea, „dar pot.” Scoate frunza peste apă și aleargă ușor cu un deget peste ouă.
Sproing! Se dezlănțuie o mică micuță. Acesta aterizează parțial în josul frunzei, se zvâcnește și cade în apă. Urmează un alt și altul dintre frații săi. „Nu e ceva ce m-am săturat să privesc”, spune Warkentin.
Cu doar o clipă a degetului, Warkentin a demonstrat un fenomen care transformă biologia. După zeci de ani de gândire a genelor ca un „model” - catenele ADN codificate dictează celulelor noastre exact ce trebuie să facă și când să facă asta - biologii ajung să ajungă la o realitate confuză. Viața, chiar și o entitate la fel de simplă ca un ou de broască, este flexibilă. Are opțiuni. După cinci zile, ouăle de broască cu ochi roșii, care se dezvoltă corect în termen, pot lua brusc o altă cale dacă detectează vibrații de la un șarpe atacant: Ele eclozează devreme și își încearcă norocul în iazul de mai jos.
Răspunsul surprinzător al oului epitomizează un concept revoluționar în biologie numit plasticitate fenotipică, care este flexibilitatea pe care un organism o arată în transpunerea genelor sale în caracteristici și acțiuni fizice. Fenotipul este aproape totul despre un organism, în afara genelor sale (pe care oamenii de știință le numesc genotipul). Conceptul de plasticitate fenotipică servește ca un antidot al gândirii simpliste de cauză și efect despre gene; încearcă să explice modul în care o genă sau un set de gene poate da naștere la rezultate multiple, în funcție de parțial de ceea ce organismul întâlnește 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 pentru că sunt diferiți genetic. Dar o mare parte a variației de aici provine din efectele asupra mediului. ”
Atunci când o plantă de casă face frunze mai palide la soare și o purică de apă crește coloanele vertebrale pentru a se proteja împotriva peștilor flămânzi, acestea arată plasticitate fenotipică. În funcție de mediu - dacă există șerpi, uragane sau lipsa de alimente pentru a face față - organismele pot aduce fenotipuri diferite. Natura sau hrana? 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 mediului, intenționat sau nu. Și nu există un exemplu mai uluitor de flexibilitate înnăscută decât aceste ouă de broască - mase oarbe de goo programate genetic pentru a se dezvolta și a ecloza ca orologiile. Sau așa părea.
Haiducii de broaște cu ochi roșii scăpau șerpi flămânzi cu mult timp înainte ca Warkentin să înceapă să studieze fenomenul 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 la Universitatea din Texas din Austin. „Era foarte clar, în timp ce-și făcea teza de doctorat, că acesta era un domeniu foarte, foarte bogat, pe care îl inventase singur.”
Karen Martin, biolog la Universitatea Pepperdine, studiază și plasticitatea eclozelor. „Incubarea ca răspuns la un fel de amenințare a fost o perspectivă foarte importantă”, spune Martin. „Cred că a fost primul care a avut un exemplu foarte bun în acest sens.” Elogiază efortul susținut de Warkentin de a învăța mari lecții de biologie din ouă de broască: „Cred că multe persoane s-ar fi putut uita la acest sistem și au spus:„ Iată un fel de lucru ciudat din care aș putea scoate niște hârtii și acum voi trece mai departe și mă voi uita la un alt animal. S-a dedicat înțelegerii acestui sistem. ”
Cercetarea lui Warkentin „ne determină să ne gândim mai atent la modul în care organismele răspund la provocări chiar de la începutul vieții”, 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 Boston, conduce studiile de teren la STRI. Acolo mi-a arătat cum coaxează ouăle pentru a ecloza.
Mormolele care sar din frunza umedă au încă un gălbenuș pe burtă; probabil că nu vor trebui să mănânce încă o zi și jumătate. Warkentin continuă să frece până rămân doar câțiva, ascunzându-se încăpățânat în interiorul ouălor. „Continuă”, le spune ea. „Nu vreau să te las aici singuri.”
Ultimul dintre mormânturi aterizează în apă. Bug-urile prădătoare, cunoscute sub numele de backswimmers, așteaptă la suprafață, dar Warkentin spune că a salvat mormolele de o soartă mai proastă. Mama lor a ratat amprenta, așezându-le pe o frunză care nu ajungea deasupra iazului. „Dacă ar ecloza pe pământ”, spune ea, „atunci ar fi doar mâncare pentru furnici.”
***
Warkentin s-a născut în Ontario, iar familia ei s-a mutat în Kenya la 6 ani. Tatăl ei a lucrat cu Agenția canadiană de dezvoltare internațională pentru a instrui profesori în țara nou independentă. Atunci s-a interesat de biologia tropicală, de a juca cu cameleonii și de a viziona girafe, zebre și gazele în drum spre școala din Nairobi. Familia sa s-a întors în Canada câțiva ani mai târziu, dar la 20 de ani a mers cu autostopul și cu rucsacul în toată Africa. „A fost ceva care părea perfect rezonabil în familia mea”, spune ea.
Înainte de a începe doctoratul, a plecat în Costa Rica pentru a afla mai multe despre tropice și a căuta un subiect de cercetare. Ouăle terestre ale broaștei cu ochi roșii i-au atras interesul. Ea a vizitat din nou acelasi iaz din nou si s-a uitat.
„Am avut experiența - despre care sunt sigur că au mai avut alți herpetologi tropicali și poate nu s-au gândit - dacă aveți un ambreiaj cu stadiul târziu, dacă vă bateți cu ei, vă vor trage”, spune Warkentin . "Am dat peste un ambreiaj și toți au dat drumul."
Văzuse și șerpi la baltă. „Ceea ce credeam că este, uau, mă întreb ce s-ar întâmpla dacă un șarpe ar intra în ele”, spune ea și râde. „Cum îți place, cu gura?” Într-adevăr, ea a descoperit că dacă un șarpe apare și începe să atace ambreiajul, ouăle eclozează devreme. Embrionii din interiorul ouălor pot spune chiar diferența dintre un șarpe și alte vibrații de pe frunză. „Acesta este lucrul, de a ieși pe câmp și de a privi animalele”, spune ea. „Îți vor spune lucruri pe care nu le așteptai uneori.”
Biologii credeau că acest tip de flexibilitate a obținut modul de a studia evoluția, spune Anurag Agrawal, un ecolog evoluționist la Universitatea Cornell. Nu mai. Este interesant faptul că Warkentin a documentat lucruri noi minunate despre o broască carismatică, dar Agrawal spune că există mult mai multe lucruri. „Cred că ea primește credit pentru că a luat-o dincolo de 'gee whiz' și a pus unele 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 de a evita un șarpe înfometat contra costului eclozării devreme. Și, de fapt, Warkentin și colegii săi au documentat că mormățele care eclozează precoce au fost mai puțin susceptibile decât frații lor ecloziști să supraviețuiască până la vârsta adultă, în special în prezența nimfelor libelere flămânde.
Plasticitatea nu numai că permite broaștelor să facă față provocărilor în acest moment; s-ar putea chiar să cumpere timp pentru ca evoluția să se întâmple. Warkentin a descoperit că mormolele eclozează de asemenea devreme dacă riscă să se usuce. Dacă pădurea tropicală devine treptat mai uscată, o astfel de incubație timpurie ar putea deveni standard după nenumărate generații, iar broasca s-ar putea pierde din plasticitatea sa și să evolueze într-o nouă specie de ecloziune rapidă.
Unul dintre elementele de bază ale gândirii evolutive este că mutațiile genetice aleatorii din ADN-ul unui organism sunt cheia pentru adaptarea la o provocare: întâmplător, secvența unei gene se schimbă, apare o nouă trăsătură, organismul trece pe ADN-ul său modificat la următorul. generație și dă naștere în cele din urmă unei specii diferite. În consecință, în urmă cu zeci de milioane de ani, un mamifer terestru a dobândit mutații care îi permit să se adapteze vieții în ocean - iar urmașii săi sunt balenele pe care le cunoaștem și le iubim. Dar plasticitatea oferă o altă posibilitate: gena însăși nu trebuie să mute pentru a ieși la suprafață o nouă trăsătură. În schimb, ceva din mediul înconjurător ar putea juca organismul pentru a face o modificare, bazându-se pe variația care există deja în genele sale.
Cu siguranță, teoria conform căreia plasticitatea ar putea da naștere unor noi trăsături este controversată. Principala sa susținătoare este Mary Jane West-Eberhard, o biologă pionieră teoretică din Costa Rica, afiliată cu STRI și autoare a influentei cărți 2003 privind dezvoltarea plasticității și evoluției . „Secolul XX a fost numit secolul genei”, spune West-Eberhard. „Secolul XXI promite să fie secolul mediului”. Ea spune că gândirea centrată în mutație este „o teorie evoluționistă în negare”. Darwin, care nici nu știa că genele exista, avea dreptate, spune ea: a lăsat deschis. posibilitatea ca noi trăsături să poată apărea din cauza influenței mediului.
West-Eberhard spune că grupul lui Warkentin a „demonstrat o capacitate surprinzătoare a embrionilor minusculi de a lua decizii adaptive bazate pe o sensibilitate rafinată la mediile lor.” Acest tip de variație, spune West-Eberhard, „poate duce la diversificarea evolutivă între populații.”
Deși nu toată lumea este de acord cu teoria lui West-Eberhard despre modul 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 oferi plantelor și animalelor timp să se adapteze atunci când sunt aruncate într-un mediu complet nou, cum ar fi semințele aruncate pe o insulă. O sămânță care nu este la fel de arzătoare în ceea ce privește temperatura și cerințele de lumină s-ar putea descurca mai bine într-un loc nou și ar putea să nu fie nevoită să aștepte să apară o mutație adaptivă.
De asemenea, mulți oameni de știință consideră că plasticitatea poate ajuta organismele să încerce noi fenotipuri fără a fi angajate în întregime cu acestea. Eclozarea timpurie, de exemplu. Diferite specii de broaște variază foarte mult în ceea ce sunt dezvoltate atunci când eclozează. Unii au coada împiedicată și abia pot înota; altele sunt animale complet formate, cu patru membre. „Cum obțineți acest tip de variație evoluată?”, Se întreabă Warkentin. „Plasticitatea în timpul eclozării joacă un rol în asta? Nu știm, dar este posibil. ”
***
Orașul Gamboa a fost construit între 1934 și 1943 de către compania 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, face parte din orașul fantomă, parte din comunitatea dormitorului pentru orașul Panama și parte din tabăra științifică de vară. Puțini rezidenți sunt oameni de știință și personal la STRI.
Când am vizitat, echipa lui Warkentin avea până la o duzină de oameni, inclusiv mai mulți studenți la care se referă „copiii”. Într-o dimineață, o tânără de tineri cu aspect viguros, în cizme de cauciuc, rucsacuri și pălării, pleacă din laboratorul lui Warkentin și se plimbă peste câmpul din spatele școlii, pe lângă terenurile de tenis.
James Vonesh, profesor la Virginia Commonwealth University, care a făcut o bursă postdoctorală cu Warkentin și încă colaborează cu ea, subliniază semnul său preferat în oraș, un titlu din epoca Canal Zone: „No Necking.” Este pictat pe fața din standurile de la vechea piscină, acum parte a clubului sportiv local al pompierilor. Apoi îi explică unuia dintre copii ce înseamnă „gâtul”.
Merg pe un drum într-o pepinieră pentru plante autohtone, traversează un șanț pe o pasarela 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 pădure tropicală, pe cealaltă parte. Există un șopron cu acoperișuri metalice, cu laturi deschise, înconjurat de zeci de tancuri de vite de 100 de galoși utilizate în experimente. Arată ca găleți menite să prindă o serie de scurgeri extrem de mari. Vonesh vorbește despre sistemul de instalații sanitare cu mai mult entuziasm decât pare posibil. „Putem umple un tanc de vite în trei sau patru minute!” Exclamă el.
Tot ceea ce umple repede înseamnă că cercetătorii pot face experimente rapide pe care ceilalți ecologiști acvatici nu le pot visa decât. Astăzi demontează un experiment pe pradă. În urmă cu patru zile, în fiecare din cele 25 de tancuri au fost introduse 47 de țopole împreună cu un Belostomatid, un fel de bug de apă care mănâncă țarcuri. Astăzi, ei vor număra mormolele pentru a afla câte au mâncat Belostomatidele.
Un fluture morpho albastru uriaș întoarce, cu aripile sale iridescente un șoc șocant de albastru electric împotriva pădurii verde luxuriante. „Ei vin, de exemplu, în același loc în aceeași oră a zilei”, spune Warkentin.
„Jur că o văd în fiecare dimineață”, spune Vonesh.
„Este morfele de la 9:15”, spune Warkentin.
Warkentin explică experimentul pe care îl termină astăzi. „Știm că prădătorii ucid prada, evident, și ei sperie prada”, spune ea. Atunci când niște mormânturi nou-eclozate cad într-un iaz, bugurile de apă sunt una dintre amenințările cu care se confruntă. Plasticitatea mormăielor le-ar putea ajuta să evite consumul - dacă pot detecta erorile și răspund cumva.
Ecologiștii au dezvoltat ecuații matematice care descriu cât de multă pradă ar trebui să poată mânca un prădător, iar grafice elegante arată modul în care populațiile cresc și cad în timp ce una mănâncă pe cealaltă. Dar ce se întâmplă cu adevărat în natură? Dimensiunea contează? Câte mănunchiuri de 1 zi mănâncă o eră de apă complet crescută? Câți mormăi mai vechi, mai grași? „Evident, credem că lucrurile mici sunt mai ușor de prins și de mâncat și de lipit în gură”, spune Vonesh. „Dar noi nu l-am încorporat chiar în aceste tipuri de modele de bază.”
Pentru a-și da seama cât de multe amărâți au fost mâncate, studenții, studenții absolvenți, profesorii și un coleg postdoctoral trebuie să scoată fiecare ultimă groapă din fiecare tanc pentru a fi numărați. Vonesh ridică o ceașcă de băutură din plastic limpede de la pământ de picioarele sale. Înăuntru este o gură de apă care se sărbătorește cu mormăiețe. „Este un tip mare”, spune el. El ajunge într-un rezervor cu plasa, scoțând mălai unul sau două simultan și așezându-le într-o cadă de plastic superficială.
„Ești gata?”, Întreabă Randall Jimenez, student la Universitatea Națională din Costa Rica.
„Sunt gata”, spune Vonesh. Vonesh sfătuiește rezervorul în timp ce Jimenez ține o plasă sub apa care scurge. Băieții privesc netul pentru orice mormăi pe care Vonesh a ratat-o. „Vedeți pe cineva?”, Întreabă Vonesh. „Nu, ” spune Jimenez. Durează aproape 30 de secunde pentru ca apa să curgă. Majoritatea cercetătorilor poartă cizme înalte de cauciuc pentru a fi protejate împotriva șerpilor, dar sunt utile deoarece terenul se transformă rapid în noroi.
O turmă de greaie rătăcește neclintit prin iarbă. „Le place să mănânce țarcuri”, spune Vonesh. „Le place să stea și să se prefacă că caută viermi de pământ, dar imediat ce vă întoarceți spatele, sunt în cada ta.”
Vonesh își duce cada de mormăi la șopron, unde Warkentin o fotografiază. Un student va număra mormolele 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 pe lângă canal; un grup de maimuțe urlătoare latră un răspuns rău din copaci.
Pentru oamenii de știință precum Warkentin, Gamboa oferă un pic de pădure tropicală la aproximativ o oră cu mașina de la 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 muncit. ”
În timpul zilei, broaștele iconice cu ochi roșii nu se potrivesc. Dacă știți ce căutați, puteți găsi ocazional un bărbat adult care se agață de o frunză ca o pastilă de un verde pal - picioarele îndoite, coatele încleștate de partea sa pentru a reduce pierderea de apă. O membrană modelată ca o fereastră de lemn sculptată a unei moschei acoperă fiecare ochi.
Adevărata acțiune este noaptea, așa că într-o seară Warkentin, Vonesh și unii oaspeți vizitează iazul să caute broaște. Păsările, insectele și maimuțele sunt liniștite, dar ciripitele și pâlcurile amfibiene umplu aerul. Apelul unei broaște este un „knock-knock!” Clar, tare, un alt sunet exact ca o armă cu raze într-un joc video. Pădurea se simte mai sălbatică noaptea.
În apropierea unui șopron, o broască masculă cu ochi roșii se agață de tulpina unei frunze late. Picioarele portocalii mici se răspândesc, îi arată burta albă și ochii roșii largi, în lumina mai multor faruri. „Au aceste posturi fotogene”, spune Warkentin. „Și ei stau doar acolo și te lasă să faci o poză. Nu fug. Unele broaște sunt, parcă, atât de nervoase. Poate tocmai de aceea, broasca cu ochi roșii a devenit faimoasă, cu imaginea pe atât de multe calendare, sugerez - sunt mai ușor de fotografiat decât alte broaște. Ea mă corectează: „Sunt cuter”.
Oamenii de știință cred că strămoșii broaștelor moderne și-au depus ouăle în apă. Poate că broasca de arbori cu ochi roșii în sine ar fi putut evolua obiceiurile de stabilire a frunzelor ca urmare a plasticității fenotipice. Poate că un strămoș s-a impus în a-și depune ouăle din apă, doar în zilele cu adevărat umede, pentru a se îndepărta de prădătorii acvatici - un mod plastic de a trata un mediu periculos - și această trăsătură a fost transmisă descendenților săi, care în cele din urmă au pierdut capacitatea de a depune ouă în apă.
Nimeni nu știe dacă așa s-a întâmplat. „Asta a fost cu foarte mult timp în urmă și nu mai poate fi adaptat la aceste tipuri de experimente”, spune Warkentin.
Însă experimente intrigante pe un alt tip de broască - unul care ar putea fi în continuare în tranziția dintre apă și pământ - sunt în curs de desfășurare. Justin Touchon, un fost doctorand al lui Warkentin, studiază modul în care broasca de clepsidră, Dendropsophus ebraccatus, își depune ouăle, care sunt mai puțin împachetate cu jeleu și mai predispuse la uscare decât broaște cu ochi roșii ”. O broască de clepsidră de sex feminin pare să aleagă unde să depună ouă pe baza umezelii. Touchon a descoperit că la iazurile umbrite de copaci vor depune ouă pe frunze deasupra apei, dar la iazurile mai fierbinți, mai expuse, ouăle merg în apă.
Într-un studiu publicat luna trecută, el a descoperit că ouăle au avut mai multe șanse de a supraviețui pe uscat dacă a fost multă ploaie și mai probabil să supraviețuiască în apă, dacă precipitațiile erau rare. El a analizat, de asemenea, înregistrările de ploaie pentru Gamboa în ultimii 39 de ani și a constatat că, în timp ce precipitațiile generale nu s-au schimbat, modelul are: Furtunile sunt mai mari, dar mai sporadice. Această schimbare a mediului ar putea determina o schimbare a modului în care se reproduc broaștele de clepsidră. „Dă o fereastră cu privire la ceea ce a determinat reproducerea mișcării pe pământ”, spune Touchon - un climat care s-a deplasat cu o ploaie constantă ar fi putut face mai sigur ca broaștele să depună ouă din apă.
Grupul lui Warkentin se bazează la parterul Școlii elementare Gamboa, care s-a închis în anii ’80. Într-o dimineață, Warkentin stă pe un scaun pivotant vechi, cu brațele prăfuite, la un birou pensionat, făcând ceea ce arată ca un proiect de meșteșuguri de școală.
Pe podeaua din stânga ei stă o găleată albă, cu rânduri de dreptunghiuri verzi, tapetate la interior. Ea coboară și scoate unul afară. Este o bucată de frunze, tăiată cu foarfeca de la una dintre plantele cu frunze largi de către iazul experimental, iar pe ea se află un ambreiaj de ouă de broască cu ochi roșii gelatinoși. Scoate o fâșie de bandă și lipește bucata de frunză pe un dreptunghi albastru de plastic, tăiat dintr-o farfurie de picnic din plastic.
„Puteți face o cantitate uimitoare de știință cu vase de unică folosință, bandă conductă și sârmă galvanizată”, spune ea.
Ea stă cartonașul într-o ceașcă de plastic limpede, cu un pic de apă în partea de jos, unde vor cădea țuțele când vor ecloza și va trece la următoarea bucată de frunză. Mormolele vor face parte din noi experimente de prădare.
Există o mare valoare explicativă în modele simple, dar vrea să înțeleagă cum funcționează de fapt natura. „Încercăm să rezolvăm ceea ce este real”, spune ea. „Și realitatea este mai complicată.”
