Карън Варкентин, облечена в високи маслинено-зелени гумени ботуши, стои на брега на езерце, покрито с бетон, в края на панамската тропическа гора. Тя се дърпа върху широко зелено листо, все още прикрепено към клон, и посочва лъскава струпка от желеподобни яйца. „Тези момчета са излюпващи се“, казва тя.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Папагалска змия се помещава на яйца с червени очи жаба, които могат да отговорят на нейния подход. (Кристиан Циглер) 
Любим символ на биоразнообразието, червенооката дървесна жаба, показана тук в Панама, разработи гъвкава стратегия за оцеляване. (Кристиан Циглер) 
Жабешки яйца един ден след снасянето. (Кристиан Циглер) 
Яйца четири дни след снасянето. (Кристиан Циглер) 
Яйцата, прилепнали към лист над водата, се излюпват. (Кристиан Циглер) 
Попови лъжички за свободно плуване. (Кристиан Циглер) 
Карън Варкентин казва, че поведенческите решения на ембрионите от жаби може да са по-сложни, отколкото сме си представяли. (Ричард Шулц (3)) 
Защо изпъкналите червени очи? За да изненада хищниците, за да може жабата да изскочи - учените я наричат "стряскащо оцветяване". (Кристиан Циглер) 
Фото галерия
Червенооките дървесни жаби, Agalychnis callidryas, снасят яйцата си върху зеленина в края на водоемите; когато лъскавите лъскавици се излюпят, те падат във водата. Обикновено едно яйце се излюпва шест до седем дни след снасянето му. Тези, на които Варкентин сочи, съдейки по техния размер и форма, са на около пет дни, казва тя. Малки тела се показват през прозрачната мембрана, пълна с гел. Под микроскоп червените сърца просто биха се виждали.
Тя посяга надолу, за да намокри ръката си във водата на езерото. „Те всъщност не искат да се излюпят“, казва тя, „но те могат.“ Тя издърпва листа над водата и леко прокарва пръст върху яйцата.
Sproing! Избухва мъничка лъскавица. Приземява се частично надолу по листата, потрепва се и пада във водата. Следват още една и друга от нейните братя и сестри. „Не ми е омръзнало да гледам“, казва Варкентин.
Само с едно движение на пръста си Варкентин демонстрира феномен, който трансформира биологията. След десетилетия на мислене на гените за „чертеж“ - кодираните нишки на ДНК диктуват на нашите клетки какво точно да правят и кога да го правят - биолозите се примиряват с объркваща реалност. Животът, дори образувание, на пръв поглед опростен като жабешко яйце, е гъвкав. Има опции. На пет или повече дни яйцата на червени очи от дървесни жаби, развивайки се точно по график, могат внезапно да поемат по друг път, ако открият вибрации от атакуваща змия: излюпват се рано и опитват късмета си в езерото по-долу.
Изненадващата отзивчивост на яйцето олицетворява революционна концепция в биологията, наречена фенотипна пластичност, която е гъвкавостта, която организмът показва при превеждането на гените си във физически характеристики и действия. Фенотипът е почти всичко за организъм, различен от неговите гени (които учените наричат генотип). Концепцията за фенотипна пластичност служи като антидот за опростяване на причинно-следственото мислене за гените; той се опитва да обясни как един ген или набор от гени могат да доведат до множество резултати, отчасти в зависимост от това, което организмът среща в своята среда. Изследването на еволюцията е толкова дълго фокусирано върху самите гени, че според Варкентин учените са предположили, че „индивидите са различни, защото са генетично различни. Но много от вариантите там идват от въздействието на околната среда. "
Когато стайното растение прави по-бледи листа на слънце и водна бълха отглежда шипове, за да се предпази от гладна риба, те показват фенотипна пластичност. В зависимост от средата - независимо дали има змии, урагани или недостиг на храна - организмите могат да изведат различни фенотипове. Природа или подхранване? Е, и двете.
Реализацията има големи последици за това как учените мислят за еволюцията. Фенотипната пластичност предлага решение на решаващия пъзел за това как организмите се адаптират към предизвикателствата на околната среда, умишлено или не. И няма по-удивителен пример за вродена гъвкавост от тези жабешки яйца - сляпа маса от ГО, генетично програмирана да се развива и излюпва като часовник. Или така изглеждаше.
Излюпването на червенокоси дървесни жаби избягва гладни змии много време преди Варкентин да започне да изучава явлението преди 20 години. „Хората не са мислили, че яйцата имат възможност да покажат този вид пластичност“, казва Майк Райън, нейният докторски съветник в Тексаския университет в Остин. „Беше ясно, докато докторската си дисертация беше, че това е много, много богата област, която сама си беше измислила.“
Карен Мартин, биолог от Пепърдинския университет, също изучава излюпването на пластичност. „Излюпването в отговор на някакъв вид заплаха беше много важно прозрение“, казва Мартин. „Мисля, че тя беше първата, която наистина имаше добър пример за това.“ Тя похвали постоянните усилия на Варкентин да научи големи уроци по биология от жабешки яйца: „Мисля, че много хора може би са гледали тази система и са казали:„ Ето нещо странно, от което можех да извадя някои документи, а сега ще продължа и ще погледна някое друго животно. " Тя се посвети на разбирането на тази система. "
Изследванията на Варкентин „ни карат да мислим по-внимателно как организмите реагират на предизвикателствата още в най-ранна възраст“, казва Елдредж Бермингам, еволюционен биолог и директор на Смитсънския тропически изследователски институт (STRI, произнасящ „str-eye“) в Гамбоа, Панама. Варкентин, професор по биология в Бостънския университет, провежда своите теренни проучвания в STRI. Именно там тя ми показа как коаксира яйцата, за да се излюпи.
Капачките, скачащи от мокрото листо, все още имат малко жълтък по коремчетата си; вероятно няма да им се налага да ядете още един ден и половина. Варкентин продължава да търка, докато останат само няколко, упорито се крият вътре в яйцата си. "Продължавайте", казва им тя. "Не искам да те оставя сам тук."
Последният от поповете каца във водата. Хищни буболечки, известни като бегълци, чакат на повърхността, но Варкентин казва, че е спасила поповете от по-лоша съдба. Майка им беше пропуснала маркировката, сложила ги на листо, което не достигаше до езерото. "Ако се излюпиха на земята", казва тя, "те биха били просто храна за мравки."
***
Варкентин е родена в Онтарио, а семейството й се премества в Кения, когато е на 6. Баща й е работил с Канадската агенция за международно развитие, за да обучава учители в новата независима страна. Тогава тя се заинтересува от тропическата биология, играе с хамелеони и наблюдава жирафи, зебри и газели на шофирането до училище в Найроби. Нейното семейство се завърна в Канада няколко години по-късно, но на 20 тя отиде на автостоп и туристически преходи в Африка. "Това беше нещо, което изглеждаше напълно разумно в моето семейство", казва тя.
Преди да започне докторантурата си, тя заминава за Коста Рика, за да научи повече за тропиците и да потърси изследователска тема. Земните яйца на червенокосата дървесна жаба предизвикаха интереса й. Тя посещаваше едно и също езеро отново и отново и наблюдаваше.
„Имах опитът - който съм сигурен, че други тропически херпетолози са имали преди и може би не са се замисляли - ако имате съединител в късен стадий, ако се натъкнете на тях, те ще се излюпят“, казва Варкентин, „Аз се блъснах в съединител и всички те се избавиха.“
Беше виждала и змии при езерото. „Това, което си мислех, е, уау, чудя се какво би станало, ако змия нахлу в тях“, казва тя и се смее. „Като, с устата си?“ Всъщност тя откри, че ако се появи змия и започне да атакува съединителя, яйцата се излюпват рано. Ембрионите вътре в яйцата дори могат да покажат разликата между змия и други вибрации на листа. „Това е нещото, да излизате на полето и да наблюдавате животните“, казва тя. "Ще ви кажат неща, които не сте очаквали понякога."
Биолозите мислели, че този вид гъвкавост е придобил в начина на изучаване на еволюцията, казва Анураг Агравал, еволюционен еколог от университета Корнел. Вече не. Вълнуващо е, че Варкентин е документирал прекрасни нови неща за харизматична жаба, но Agrawal казва, че има много повече неща. „Мисля, че тя получава заслуга за това, че го превъзхожда отвъд„ джиуууууу “и задава някои от концептуалните въпроси в екологията и еволюцията.
Какви са предимствата на една тактика за оцеляване пред друга? Дори 5-дневна жаба трябва да балансира ползата от избягването на гладна змия срещу цената на излюпването рано. И всъщност Варкентин и нейните колеги са документирали, че ранноизлюпващите се попови лъжички са по-малко вероятно от братята им, които са се измъкнали, да оцелеят до зряла възраст, особено в присъствието на гладни нимфове на стрекоза.
Пластичността не само позволява на жабите да се справят с предизвикателствата в момента; може дори да си купи време за еволюция. Варкентин е открил, че поповете също се излюпват рано, ако са изложени на риск от изсушаване. Ако тропическите гори постепенно станат по-сухи, такова ранно излюпване може да стане стандарт след безброй поколения и жабата може да загуби своята пластичност и да се превърне в нов, бързо излюпващ се вид.
Една от основите на еволюционното мислене е, че случайните генетични мутации в ДНК на организма са ключът към адаптирането към предизвикателство: По случайност последователността на гена се променя, появява се нова черта, организмът преминава върху променената си ДНК в следващата поколение и в крайна сметка поражда различен вид. Съответно преди десетки милиони години някои сухоземни бозайници са придобили мутации, които го позволяват да се адаптира към живота в океана - и неговите потомци са китовете, които познаваме и обичаме. Но пластичността предлага друга възможност: самият ген не трябва да мутира, за да се появи нова черта на повърхността. Вместо това нещо в околната среда може да подтикне организма да направи промяна, като използва вариацията, която вече е в гените му.
За да бъдем сигурни, теорията, че пластичността всъщност може да породи нови черти, е противоречива. Нейният основен привърженик е Мери Джейн Уест-Еберхард, пионерска теоретична биоложка в Коста Рика, свързана със СТРИ и автор на влиятелната книга от 2003 г. Пластичност и еволюция в развитието . „20 век се нарича век на гена“, казва Уест-Еберхард. „21-ви век обещава да бъде векът на околната среда.“ Тя казва, че мутационно-центричното мислене е „еволюционна теория за отричане“. Дарвин, който дори не знаеше, че съществуват гени, го имаше правилно, тя казва: Той остави отворен възможността нови особености да възникнат поради влияние на околната среда.
Уест-Еберхард казва, че групата на Варкентин е „демонстрирала изненадваща способност на мъничките ембриони да взимат адаптивни решения, базирани на изящна чувствителност към средата им.“ Този вид вариация, казва Уест-Еберхард, „може да доведе до еволюционна диверсификация между популациите.“
Въпреки че не всички са съгласни с теорията на Уест-Еберхард за това как пластичността може да доведе до новост, сега много учени смятат, че фенотипната пластичност ще се появи, когато организмите живеят в среда, която варира. Пластичността може да даде време на растенията и животните да се приспособят, когато са изхвърлени в напълно нова среда, например когато семената се издухат на остров. Семена, които не са толкова придирчиви към температурата и светлинните си нужди, може да се справят по-добре на ново място - и може да не се наложи да чакат да настъпи адаптивна мутация.
Освен това много учени смятат, че пластичността може да помогне на организмите да изпробват нови фенотипове, без да са изцяло ангажирани с тях. Ранно излюпване например. Различните видове жаби силно се различават по това колко са развити, когато се излюпват. Някои имат стръмна опашка и почти не могат да плуват; други са напълно оформени, четириноги животни. „Как получавате подобна еволюция?“, Пита Warkentin. „Играе ли пластичност във времето за излюпване? Не знаем, но е напълно възможно. "
***
Град Гамбоа е построен между 1934 и 1943 г. от Panama Canal Company, американска правителствена корпорация, която контролира канала до 1979 г., когато е предаден на Панама. Гамбоа, на ръба на тропическа гора, е част от призрачния град, част от общността на спалнята за Панама Сити и част от научния летен лагер. Доста жители са учени и служители в STRI.
Когато го посетих, екипът на Варкентин имаше до десетина души, включително няколко студенти, които тя нарича „децата“. Една сутрин поход на енергични млади хора в гумени ботуши, раници и шапки се отклонява от лабораторията и крачките на Варкентин отвъд терена зад училището, покрай тенис кортовете.
Джеймс Вонеш, професор от Университета на Вирджиния Commonwealth, който направи следдокторско общение с Варкентин и все още си сътрудничи с нея, посочва любимия си знак в града, задържане от ерата на Каналната зона: „Без шиене“. Рисуван е отпред трибуните при стария плувен басейн, сега част от спортния клуб на местните пожарникари. Тогава той обяснява на едно от децата какво означава "вратовръзка".
Влизат по път в разсадник за местни растения, пресичат ров по пешеходен мост и стигат до Експерименталното езерце. Той е построен от бетон по спецификации, предоставени от Warkentin и Stan Rand, уважаван изследовател на жабите в STRI, който почина през 2005 г.
От другата страна на езерцето е изследователската зона на групата, ограничена от канав от едната страна и поток, след това тропическа гора, от другата. Има навес с метален покрив с отворени страни, заобиколен от десетки 100-литрови резервоари за добитък, използвани в експериментите. Те изглеждат като кофи, предназначени за улавяне на масив от изключително големи течове. Вонеш говори за водопроводната система с повече ентусиазъм, отколкото изглежда възможно. „Можем да напълним резервоар за добитък за три или четири минути!“, Възкликва той.
Всичко това бързо пълнене означава, че изследователите могат да правят бързи експерименти, за които други водни еколози могат само да мечтаят. Днес те демонтират експеримент с хищничество. Преди четири дни във всеки от 25 резервоара бяха сложени 47 лъжички заедно с един Белостоматид, вид воден бъг, който изяжда лъжички. Днес те ще преброят поповете, за да разберат колко ядат белостоматидите.
Гигантска синя морфо пеперуда профуча покрай райещите й крила шокиращо пръскане от електрическо синьо срещу буйната зелена гора. „Те идват, като едно и също място, по едно и също време на деня“, казва Варкентин.
„Кълна се, че го виждам всяка сутрин“, казва Вонеш.
„Това е морфото от 9:15 часа“, казва Варкентин.
Варкентин обяснява експеримента, който завършват днес. "Знаем, че хищниците убиват плячка, очевидно и също така плашат плячка", казва тя. Когато новоизлюпените лъскавици попаднат в езерце, водните бъгове са една от заплахите, пред които са изправени. Пластичността на потниците може да им помогне да избегнат яденето им - ако успеят да открият бъговете и по някакъв начин да реагират.
Еколозите са разработили математически уравнения, описващи колко плячка хищникът трябва да може да яде, а елегантните графики показват как популацията се увеличава и пада, докато едното яде другото. Но какво наистина се случва в природата? Има ли значение размерът? Колко еднодневни лъскавини изяжда напълно отгледан воден бъг? Колко по-стари, по-дебели попови лъжички? „Очевидно смятаме, че малките неща са по-лесни за хващане и ядене и залепване в устата ви“, казва Вонеш. „Но ние наистина не сме го включили в дори тези основни модели.“
За да разберат колко са изядени лъжичките, студентите, аспирантите, преподавателите и докторантите трябва да извадят всяка последна лъжичка от всеки резервоар, за да бъдат преброени. Вонеш вдига от краката си прозрачна пластмасова чаша за напитки. Вътре е воден бъг, който се угощаваше на попови лъжички. „Той е голям човек“, казва той. Той бръкне в резервоар с мрежата, изважда поповете един или два наведнъж и ги поставя в плитка пластмасова вана.
„Готов ли си?“ Пита Рандал Хименес, аспирант в Националния университет на Коста Рика.
"Готов съм", казва Вонеш. Вонеш съветва резервоара, докато Хименес държи мрежа под бликащата вода. Момчетата гледат в мрежата за всякакви попови лъжички, които Vonesh пропусна. „Виждате ли някого?“, Пита Вонеш. "Няма", казва Хименес. Необходими са почти 30 секунди, за да изтече водата. Повечето от изследователите носят високи гумени ботуши за защита от змии, но те са полезни, тъй като земята бързо се превръща в кал.
Стадо гракалци броди неусетно през тревата. "Те обичат да ядат лъскави лъжички", казва Вонеш. „Те обичат да се мотаят и да се преструват, че търсят земни червеи, но щом обърнете гръб, те са във ваната ви.“
Вонеш отвежда ваната си с попови лъжички до бараката, където Варкентин го снима. Ученик ще преброи поповете във всяка снимка. Насекоми и птици пеят от дърветата. На металния покрив нещо пада - прищипва се. Товарен влак свирка от влаковите коловози, които минават покрай канала; група хили маймуни лаят бурна реакция от дърветата.
На учени като Warkentin, Gamboa предлага малко тропическа гора на около час път с кола от международно летище. "Боже мой. Това е толкова лесно “, казва тя. „Има опасност да не оценим колко е невероятно. Това е невероятно място за работа. "
През деня емблематичните червенооки жаби не скачат. Ако знаете какво търсите, можете да намерите случайни възрастни мъже, прилепнали към листо като бледо зелено хапче - сгънати крака, лакти, прибрани до него, за да сведат до минимум загубите на вода. Мембрана с рисунка като издълбан дървен екран на прозореца на джамията покрива всяко око.
Истинското действие е през нощта, така че една вечер Варкентин, Вонеш и някои гости посещават езерото, за да търсят жаби. Птиците, насекомите и маймуните са тихи, но земноводните щъркат и скърцащи изпълват въздуха. Призивът на една жаба е ясно, силно „чукайте!“ Друг звучи точно като пистолет за лъчи във видео игра. Гората се чувства по-дива през нощта.
Близо до навес мъжка червеноока дървесна жаба се вкопчва в стъблото на широко листо. Малки оранжеви пръсти на ръцете, той показва бялото си коремче и широките си червени очи на светлината на множество фарове. „Те имат тези фотогенични пози“, казва Варкентин. „И те просто седят там и ви позволяват да се снимате. Те не бягат. Предполагам, че някои жаби са толкова нервни. ”Може би затова червенооката дървесна жаба се е прочула, с нейната снимка на толкова много календари, предполагам - те са по-лесни за фотографиране, отколкото другите жаби. Тя ме поправя: "Те са по-сладки."
Учените смятат, че предците на съвременните жаби всички снасяли яйцата си във вода. Може би самата червеноока дървесна жаба би могла да развие навиците си за полагане на листа в резултат на фенотипна пластичност. Може би един предшественик се е опитвал да снася яйцата си от водата само в наистина влажни дни, за да се измъкне от водни хищници - пластичен начин за справяне с опасна среда - и тази черта се е предавала на нейните потомци, които в крайна сметка са загубили способността да снасят яйца изобщо във вода.
Никой не знае дали така е станало. „Това беше много отдавна и вече не поддаваше на тези видове експерименти“, казва Варкентин.
Но интригуващи експерименти с друг вид жаба - един, който може би все още обикаля прехода между вода и суша - са в ход. Джъстин Тушон, бивш докторант на Варкентин, изучава как жабата на дървесната пещ, Dendropsophus ebraccatus, снася яйцата си, които са по-малко пълни с желе и са по-податливи на изсушаване от червенооките дървесни жаби. Женска жаба с дървени часовници изглежда избира къде да снася яйца въз основа на влагата. В езера, засенчени от дървета, откри Тушон, те ще снасят яйца на листа над водата, но при по-горещи, по-открити водоеми, яйцата отиват във водата.
В проучване, публикувано миналия месец, той установява, че по-вероятно е яйцата да оцелеят на сушата, ако има много дъжд, и по-вероятно да оцелеят във вода, ако валежите са оскъдни. Той също разгледа рекордите за дъжд за Гамбоа през последните 39 години и откри, че макар общите валежи да не са се променили, моделът има: Бурите са по-големи, но по-спорадични. Тази промяна в околната среда би могла да доведе до промяна в начина на възпроизвеждане на жабите от часовници. „Това дава прозорец за това, което е причинило появата на движението към възпроизвеждането на сушата“, казва Тушон - климатът, който се е изместил с много постоянен дъжд, би могъл да го направи по-безопасно за жабите да снасят яйца от водата.
Групата на Варкентин е базирана на приземния етаж на началното училище в Гамбоа, което се затвори през 80-те години. Една сутрин Варкентин седи на древен въртящ се стол с прашни ръце на бюро в пенсиониран офис и прави нещо, което прилича на проект на занаятчийска школа.
На пода вляво седи бяла кофа с редове зелени правоъгълници, залепени от вътрешната страна. Тя протегна надолу и издърпа една. Това е парче листо, изрязано с ножици от едно от широколистните растения от експерименталното езерце, а върху него е съединител от желатинови червенокоси яйца от дървесни жаби. Тя откъсва лента от лента и залепва парчето листо върху син пластмасов правоъгълник, изрязан от пластмасова плоча за пикник.
„Можете да направите невероятно количество наука с съдове за еднократна употреба, лента за канали и поцинкована тел“, казва тя.
Тя стои картата в прозрачна пластмасова чаша с малко вода в дъното, където ще изпаднат поповете, когато се излюпят, и продължава към следващото парче листо. Тълпата ще бъде част от нови експерименти с хищничество.
При прости модели има голяма обяснителна стойност - но тя иска да разбере как действително работи природата. „Опитваме се да се справим с реалното“, казва тя. "И реалността е по-сложна."
