Karen Warkentin, iført høye olivengrønne gummistøvler, står på bredden av et betongforet tjern i utkanten av den panamanske regnskogen. Hun trekker på et bredt grønt blad som fremdeles er festet til en gren og peker ut en skinnende clutch av gelélignende egg. "Disse gutta kan klekkes, " sier hun.
Fra denne historien
[×] STENGT
En papegøye slange hjem i på rødøyde tre froskeegg, som kan svare på dens tilnærming. (Christian Ziegler) 
Et elsket symbol på biologisk mangfold, den røde øyne frosken, vist her i Panama, har utviklet en fleksibel strategi for å overleve. (Christian Ziegler) 
Froskeegg en dag etter å ha blitt lagt. (Christian Ziegler) 
Egg fire dager etter å ha blitt lagt. (Christian Ziegler) 
Egg som klamrer seg fast til et blad over vannluka. (Christian Ziegler) 
Fri-svømming rumpetroll. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin sier at froskeembryoers atferdsvedtak kan være mer sofistikerte enn vi forestilte oss. (Richard Schultz (3)) 
Hvorfor de svulmede røde øynene? For å overraske rovdyr slik at frosken kan hoppe vekk - forskere kaller det "skremmende farge." (Christian Ziegler) 
Fotogalleri
Røde øyne frosker, Agalychnis callidryas, legger eggene sine på løvverk ved kanten av dammer; når rumpetrollene klekkes, faller de i vannet. Normalt klekkes et egg seks til syv dager etter at det er lagt. De som Warkentin peker på, bedømme ut fra størrelse og form, er omtrent fem dager gamle, sier hun. Små kropper viser seg gjennom den klare gelfylte membranen. Under et mikroskop ville de røde hjertene bare være synlige.
Hun rekker ned for å fukte hånden i tjernvannet. "De vil egentlig ikke klekkes, " sier hun, "men de kan." Hun trekker bladet utover vannet og løper en finger forsiktig over eggene.
Sproing! En liten rumpetroll bryter ut. Den lander halvveis nedover bladet, rykker og faller i vannet. En og en av søsknene følger etter. "Det er ikke noe jeg blir lei av å se på, " sier Warkentin.
Med bare en finger av fingeren har Warkentin demonstrert et fenomen som forvandler biologi. Etter flere tiår med å tenke på gener som en "blåkopi" - de kodede DNA-strengene dikterer cellene våre nøyaktig hva de skal gjøre og når de skal gjøre det - kommer biologer til å bekjempe en forvirrende virkelighet. Livet, til og med en enhet så tilsynelatende enkel som et froskeegg, er fleksibelt. Den har alternativer. Om fem dager eller så kan røde øyne froskeegg, som utvikler seg rett etter planen, plutselig ta en annen vei hvis de oppdager vibrasjoner fra en angripende slange: De klekkes tidlig og prøver lykken i dammen nedenfor.
Eggets overraskende reaksjonsevne markerer et revolusjonerende konsept innen biologi kalt fenotypisk plastisitet, som er fleksibiliteten en organisme viser når det omsettes gener til fysiske funksjoner og handlinger. Fenotypen handler stort sett alt om en annen organisme enn genene (som forskere kaller genotypen). Begrepet fenotypisk plastisitet fungerer som en motgift for forenklet årsak-og-virkning tenkning om gener; den prøver å forklare hvordan et gen eller et sett med gener kan gi opphav til flere utfall, delvis avhengig av hva organismen møter i omgivelsene. Evolusjonsstudiet har så lenge sentrert seg om gener selv, sier Warkentin, forskere har antatt at “individer er forskjellige fordi de er genetisk forskjellige. Men mye av variasjonen der ute kommer fra miljøeffekter. ”
Når en stueplante lager blekere blader i solen og en vannloppe vokser ryggrader for å beskytte mot sultne fisker, viser de fenotypisk plastisitet. Avhengig av miljøet - om det er slanger, orkaner eller matmangel å takle - kan organismer få fram forskjellige fenotyper. Natur eller pleie? Vel, begge deler.
Erkjennelsen har store konsekvenser for hvordan forskere tenker om evolusjon. Fenotypisk plastisitet tilbyr en løsning på det avgjørende puslespillet om hvordan organismer tilpasser seg miljøutfordringer, med vilje eller ikke. Og det er ikke mer forbløffende eksempel på medfødt fleksibilitet enn disse froskeeggene - blinde masser av goo som er genetisk programmert til å utvikle seg og klekkes ut som urverk. Eller slik virket det.
Rødøyede froskeklekker unngikk sultne slanger lenge før Warkentin begynte å studere fenomenet for 20 år siden. "Folk hadde ikke tenkt på egg som muligheten til å vise denne typen plastisitet, " sier Mike Ryan, hennes doktorgradsrådgiver ved University of Texas i Austin. "Det var veldig tydelig, mens hun holdt på med doktorgradsavhandlingen, at dette var et veldig, veldig rikt felt som hun på en måte hadde funnet opp på egen hånd."
Karen Martin, biolog ved Pepperdine University, studerer også klekkeplastisitet. "Hatching som svar på en slags trussel har vært en veldig viktig innsikt, " sier Martin. "Jeg tror hun var den første som hadde et veldig bra eksempel på det." Hun berømmer Warkentins vedvarende innsats for å lære store biologileksjoner fra froskeegg: "Jeg tror mange mennesker kan ha sett på dette systemet og sagt: 'Her en slags sære ting som jeg kunne få noen papirer ut av, og nå skal jeg gå videre og se på et annet dyr. ' Hun dedikerte seg til å forstå dette systemet. ”
Warkentins forskning "får oss til å tenke nøye gjennom hvordan organismer reagerer på utfordringer selv veldig tidlig i livet, " sier Eldredge Bermingham, en evolusjonsbiolog og direktør for Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, uttales som "str-eye") i Gamboa, Panama. Warkentin, biologiprofessor ved Boston University, gjennomfører feltstudiene sine ved STRI. Det var der hun viste meg hvordan hun kaster eggene for å klekkes.
Rumpetrollene som hopper fra det våte bladet har fortsatt en liten eggeplomme på magen; de trenger sannsynligvis ikke å spise i en og en halv dag. Warkentin fortsetter å gni til bare noen få er igjen, og skjuler seg hardnakket inni eggene sine. "Fortsett, " forteller hun dem. "Jeg vil ikke la dere være her alene."
Den siste av rumpetrollene lander i vannet. Rovdyrfeil kjent som backwimmers venter på overflaten, men Warkentin sier at hun reddet rumpetrollene fra en verre skjebne. Moren deres hadde gått glipp av merket og lagt dem på et blad som ikke rakk over dammen. "Hvis de klekket ut på bakken, " sier hun, "ville de bare være mauremat."
***
Warkentin ble født i Ontario, og familien flyttet til Kenya da hun var 6. Hennes far jobbet sammen med det kanadiske internasjonale utviklingsbyrået for å trene lærere i det nylig uavhengige landet. Det var da hun interesserte seg for tropisk biologi, lekte med kameleoner og så på giraffer, sebraer og gaseller på kjøreturen til skolen i Nairobi. Familien hennes returnerte til Canada flere år senere, men klokka 20 gikk hun på tur og ryggsekkturering over Afrika. "Det var noe som virket helt rimelig i familien min, " sier hun.
Før hun begynte på doktorgraden, dro hun til Costa Rica for å lære mer om tropene og lete etter et forskningsemne. Den rødøyde trefroskens bakkeeg fanget interessen hennes. Hun besøkte den samme dammen om og om igjen, og så på.
"Jeg hadde opplevelsen - som jeg er sikker på at andre tropiske herpetologer har hatt før og kanskje ikke tenkte på - hvis du har en sen fase clutch, hvis du støter på dem, vil de klekkes ut på deg, " sier Warkentin . "Jeg slo meg inn i en clutch, og de gikk alle ut."
Hun hadde også sett slanger ved dammen. "Det jeg trodde var, wow, jeg lurer på hva som ville skje hvis en slange slo inn i dem, " sier hun og ler. “Som med munnen?” Hun fant faktisk ut at hvis en slange dukker opp og begynner å angripe clutch, klekkes eggene tidlig. Embryoene inni eggene kan til og med fortelle forskjellen mellom en slange og andre vibrasjoner på bladet. "Dette er tingen å gå ut i marka og se på dyrene, " sier hun. "De vil fortelle deg ting du ikke forventet noen ganger."
Biologer trodde denne typen fleksibilitet kom i veien for å studere evolusjon, sier Anurag Agrawal, en evolusjonsøkolog ved Cornell University. Ikke lenger. Det er spennende at Warkentin har dokumentert fantastiske nye ting om en karismatisk frosk, men Agrawal sier at det er mye mer med det. "Jeg tror at hun får æren for å ta det utover 'gee whiz' og stille noen av de konseptuelle spørsmålene i økologi og evolusjon."
Hva er fordelene med en overlevelsestaktikk i forhold til en annen? Selv en 5 dager gammel frosk må balansere fordelen ved å unngå en sulten slange mot kostnadene for klekking tidlig. Og faktisk har Warkentin og hennes kolleger dokumentert at tidlig klekkede rumpetroll var mindre sannsynlig enn deres sene klekkende brødre å overleve til voksen alder, spesielt i nærvær av sultne øyenstikker-nymfene.
Plastisitet lar ikke bare frosker takle utfordringer i øyeblikket; det kan til og med kjøpe tid for evolusjon å skje. Warkentin har funnet at rumpetrollene også klekkes tidlig hvis de risikerer å tørke ut. Hvis regnskogen gradvis ble tørrere, kan en slik tidlig klekking bli standard etter utallige generasjoner, og frosken kan miste sin plastisitet og utvikle seg til en ny, raskt klekkende art.
En av bærebjelkene i evolusjonstankegangen er at tilfeldige genetiske mutasjoner i en organisms DNA er nøkkelen til å tilpasse seg en utfordring: Ved en tilfeldighet endres et sekvens av et gen, en ny egenskap dukker opp, organismen viderefører sin forandrede DNA til den neste generasjon og gir etter hvert opphav til en annen art. Følgelig, for flere titalls millioner år siden, fikk noen landpattedyr mutasjoner som lar det tilpasse seg livet i havet - og dets etterkommere er hvalene vi kjenner og elsker. Men plastisitet gir en annen mulighet: Genet i seg selv trenger ikke å mutere for at en ny egenskap skal komme til overflaten. I stedet kan noe i miljøet pusse organismen for å gjøre en endring ved å trekke på variasjonen som allerede er i genene.
For å være sikker, er teorien om at plastisitet faktisk kan føre til nye egenskaper, kontroversiell. Dens viktigste talsmann er Mary Jane West-Eberhard, en banebrytende teoretisk biolog i Costa Rica tilknyttet STRI og forfatter av den innflytelsesrike boken 2003 Developmental Plasticity and Evolution . "Det 20. århundre har blitt kalt genets århundre, " sier West-Eberhard. "Det 21. århundre lover å være miljøets århundre." Hun sier mutasjonssentrisk tenking er "en evolusjonsteori i fornektelse." Darwin, som ikke en gang visste at gener eksisterte, hadde det riktig, sier hun: Han forlot åpen muligheten for at nye egenskaper kan oppstå på grunn av miljøpåvirkning.
West-Eberhard sier Warkentins gruppe har "vist en overraskende evne til at bittesmå embryoer kan ta tilpasningsavgjørelser basert på utsøkt følsomhet for miljøene sine." Den slags variasjoner, sier West-Eberhard, "kan føre til evolusjonær diversifisering mellom populasjoner."
Selv om ikke alle er enige i West-Eberhards teori om hvordan plastisitet kan føre til nyhet, tror mange forskere nå at fenotypisk plastisitet vil dukke opp når organismer lever i miljøer som varierer. Plastisitet kan gi planter og dyr tid til å tilpasse seg når de blir dumpet i et helt nytt miljø, for eksempel når frø blåses til en øy. Et frø som ikke er så kresen med hensyn til temperatur og lysbehov, kan gjøre det bedre på et nytt sted - og kanskje ikke trenger å vente på at en adaptiv mutasjon kommer med.
Mange forskere tror også at plastisitet kan hjelpe organismer med å prøve ut nye fenotyper uten å være helt forpliktet til dem. Tidlig klekking, for eksempel. Ulike froskearter varierer veldig i hvor utviklet de er når de klekkes. Noen har en stubben hale og kan knapt svømme; andre er fullformede, firlemmede dyr. “Hvordan får du den slags utviklede variasjoner?” Spør Warkentin. “Har plastisitet i klekketid en rolle i det? Vi vet ikke, men det er fullt mulig. ”
***
Byen Gamboa ble bygget mellom 1934 og 1943 av Panama Canal Company, et amerikansk regjeringsselskap som kontrollerte kanalen til 1979, da den ble overlevert til Panama. Gamboa, i utkanten av en regnskog, er en del spøkelsesby, delromssamfunn for Panama City og en del vitenskapelig sommerleir. Ganske mange innbyggere er forskere og ansatte ved STRI.
Da jeg besøkte, hadde Warkentins team opptil et dusin mennesker, inkludert flere studenter hun omtaler som "barna." En morgen avbringer en krise av sprek ungdommer i knehøye gummistøvler, ryggsekker og hatter Warkentins laboratorium og skritt over feltet bak skolen, forbi tennisbanene.
James Vonesh, professor ved Virginia Commonwealth University, som gjorde et postdoktorgradsstipend med Warkentin og fremdeles samarbeider med henne, påpeker hans favorittskilt i byen, en holdover fra Canal Zone-tiden: “No Necking.” Det er malt på forsiden av tribunene ved det gamle svømmebassenget, som nå er en del av den lokale brannmannskapenes sportsklubb. Deretter forklarer han til en av barna hva "halsring" betyr.
De går nedover en vei inn i en barnehage for innfødte planter, krysser en grøft på en gangbro og ankommer Experimental Pond. Den ble bygget av betong i henhold til spesifikasjoner levert av Warkentin og Stan Rand, en aktet froskeforsker ved STRI, som døde i 2005.
På dammen sin farsside er gruppens forskningsområde, avgrenset av en grøft på den ene siden og en bekk, deretter regnskog, på den andre. Det er et tak med metalltak med åpne sider, omgitt av dusinvis av 100 gallons storfe-tanker brukt i eksperimenter. De ser ut som bøtter som er satt ut for å fange en rekke ekstremt store lekkasjer. Vonesh snakker om rørleggersystemet med mer entusiasme enn det som synes er mulig. "Vi kan fylle en storfe-tank på tre eller fire minutter!" Utbryter han.
Alt det raske fyllet betyr at forskerne kan gjøre raske eksperimenter andre akvatiske økologer bare kan drømme om. I dag demonterer de et rovforsøk. For fire dager siden ble det lagt 47 rumpetroll i hver av 25 stridsvogner sammen med en Belostomatid, en slags vannfeil som spiser rumpetroll. I dag teller de rumpetrollene for å finne ut hvor mange Belostomatidene spiste.
En kjempeblå morpho-sommerfugl slipper forbi, dens iriserende vinger en sjokkerende skvett elektrisk blå mot den frodige grønne skogen. "De kommer som samme sted på samme tid på dagen, " sier Warkentin.
"Jeg sverger at jeg ser den hver morgen, " sier Vonesh.
"Det er morben fra 9:15, " sier Warkentin.
Warkentin forklarer eksperimentet de avslutter i dag. "Vi vet at rovdyr dreper byttedyr, selvfølgelig, og de skremmer også byttedyr, " sier hun. Når nyklekte rumpetroll faller ned i et tjern, er vannfeil en av truslene de står overfor. Rumpetrollens plastisitet kan hjelpe dem til å unngå å bli spist — hvis de kan oppdage feilene og på en eller annen måte svare.
Økologer har utviklet matematiske ligninger som beskriver hvor mye byttedyr et rovdyr skal kunne spise, og elegante grafer viser hvordan bestander stiger og faller når den ene spiser den andre. Men hva skjer egentlig i naturen? Har størrelse noe? Hvor mange 1-dagers rumpetroll spiser en fulldyrket vannfeil? Hvor mange eldre, fetere rumpetroll? "Det er klart vi synes små ting er lettere å fange og spise og stikke i munnen, " sier Vonesh. "Men vi har virkelig ikke integrert det i selv denne typen grunnleggende modeller."
For å finne ut hvor mange rumpetroll som ble spist, må studenter, hovedfagsstudenter, professorer og en postdoktor få hver siste rumpetroll ut av hver tank for å bli talt. Vonesh henter en klar plastdrikkekopp fra bakken ved føttene. Inni er en vannfeil som festet på rumpetrollene. "Han er en stor fyr, " sier han. Han rekker inn i en tank med nettet, trekker ut rumpetrollene en eller to av gangen og legger dem i et grunt plastkar.
“Er du klar?” Spør Randall Jimenez, en doktorgradsstudent ved National University of Costa Rica.
"Jeg er klar, " sier Vonesh. Vonesh tipser tanken mens Jimenez holder et nett under det sølende vannet. Gutta ser på nettet for alle rumpetraller som Vonesh savnet. “Ser du noen?” Spør Vonesh. "Nei, " sier Jimenez. Det tar nesten 30 sekunder før vannet renner ut. De fleste av forskerne har høye gummistøvler for å beskytte mot slanger, men de er nyttige fordi bakken raskt blir til gjørme.
En flokk med grackler vandrer nonchalant gjennom gresset. "De liker å spise rumpetroll, " sier Vonesh. "De liker å henge med og late som de leter etter meitemark, men så snart du vender ryggen, er de i karet ditt."
Vonesh tar badekaret med rumpetrollene til skuret der Warkentin fotograferer det. En student teller rumpetrollene på hvert bilde. Insekter og fugler synger fra trærne. Noe faller - plink - på metalltaket. Et godstog plystrer fra togsporene som går langs kanalen; en gruppe hylende aper bjeffer en voldsom respons fra trærne.
For forskere som Warkentin tilbyr Gamboa litt regnskog omtrent en times kjøretur fra en internasjonal flyplass. "Herregud. Det er så enkelt, sier hun. “Det er en fare for ikke å sette pris på hvor fantastisk det er. Det er et utrolig sted å jobbe. ”
I løpet av dagen hopper ikke de ikoniske rødøyde froskene. Hvis du vet hva du leter etter, kan du finne en og annen voksen mann som klamrer seg fast til et blad som en lysegrønn pilleboks - ben brettet, albuer som er gjemt ved siden av ham for å minimere vanntap. En membran mønstret som en moskees utskårne vindusskjerm i tre dekker hvert øye.
Den virkelige handlingen er om natten, så en kveld besøker Warkentin, Vonesh og noen gjester dammen for å lete etter frosker. Fuglene, insektene og apene er stille, men amfibie kvitrer og knirker fyller luften. Den ene frosken er en klar, høy "knock-knock!" En annen høres nøyaktig ut som en strålepistol i et videospill. Skogen føles mer vill om natten.
I nærheten av et skur klamrer en mannlig rødøyet trefrosk seg til stilken til et bredt blad. Små oransje tær sprer seg, han viser sin hvite mage og brede røde øyne i lys av flere hodelykter. "De har disse fotogene holdningene, " sier Warkentin. “Og de bare sitter der og lar deg ta et bilde. De stikker ikke av. Noen frosker er liksom så nervøse. ”Det er kanskje derfor den rødøyde trefrosken har blitt berømt, med bildet sitt på så mange kalendere, foreslår jeg - de er lettere å fotografere enn andre frosker. Hun korrigerer meg: "De er søtere."
Forskere tror forfedrene til moderne frosker alle la eggene sine i vann. Kanskje kunne den røde øyne frosken selv ha utviklet bladleggingsvanene som et resultat av fenotypisk plastisitet. Kanskje en stamfar forsøkte å legge eggene sine ut av vannet, bare på virkelig våte dager, for å komme seg unna rovdyr i vann - en plastisk måte å håndtere et farlig miljø på - og den egenskapen ble gitt videre til dens etterkommere, som til slutt mistet evne til å legge egg i vann i det hele tatt.
Ingen vet om det var slik det skjedde. "Det var veldig lenge siden og ikke lenger tilgjengelig for den slags eksperimenter, " sier Warkentin.
Men spennende eksperimenter på en annen type frosk - en som fremdeles kan navigere i overgangen mellom vann og land - er i gang. Justin Touchon, en tidligere doktorgradsstudent ved Warkentins, studerer hvordan timeglasfrosken, Dendropsophus ebraccatus, legger eggene sine, som er mindre spekket med gele og mer utsatt for uttørking enn rødøyde trefrosker. En kvinnelig timeglassfroske ser ut til å velge hvor du skal legge egg basert på fuktighet. Ved dammer skygget av trær, fant Touchon, vil de legge egg på blader over vannet, men ved varmere og mer utsatte dammer går eggene i vannet.
I en studie publisert forrige måned fant han ut at egg var mer sannsynlig å overleve på land hvis det var mye regn, og mer sannsynlig å overleve i vann hvis nedbør var lite. Han så også på regnrekorder for Gamboa de siste 39 årene og fant ut at selv om den generelle nedbøren ikke har endret seg, har mønsteret: Stormene er større, men mer sporadiske. Den endringen i miljøet kan være en drivkraft for en endring i hvordan timeglasstreet frosker reproduserer. "Det gir et vindu på hva som fikk bevegelsen til å reprodusere seg på land, " sier Touchon - et klima som endret seg for å ha mye jevn regn, kan ha gjort det tryggere for frosker å legge egg ut av vannet.
Warkentins gruppe er basert i første etasje på Gamboa Elementary School, som stengte på 1980-tallet. En morgen sitter Warkentin på en eldgamle svingstol med støvete armer ved et pensjonert kontorpult og gjør det som ser ut som et håndverksprosjekt på grunnskolen.
På gulvet til venstre sitter en hvit bøtte med rader med grønne rektangler som er teipet på innsiden. Hun når ned og trekker en ut. Det er et bladstykke, kuttet med saks fra en av bredbladede planter ved den eksperimentelle dammen, og på den er en kobling av gelatinøse rødøyde froskeegg. Hun river av en stripe med tape og stikker bladstykket på et blått plastrektangel, kuttet av en plastikk-piknikplate.
"Du kan gjøre utrolig mye vitenskap med engangsutstyr, duct tape og galvanisert tråd, " sier hun.
Hun står kortet i en klar plastkopp med litt vann i bunnen, der rumpetrollene vil falle når de klekkes, og går videre til neste bladstykke. Rumpetrollene vil være en del av nye predasjonseksperimenter.
Det er stor forklaringsverdi i enkle modeller, men hun vil forstå hvordan naturen faktisk fungerer. "Vi prøver å takle det som er ekte, " sier hun. "Og virkeligheten er mer komplisert."
