Karen Warkentin, která nosí vysoké olivově zelené gumové holínky, stojí na břehu betonu lemovaného rybníka na okraji panamského deštného pralesa. Přitáhne si široký zelený list, který je stále připojen k větvi, a poukazuje na lesklou spojku želé. "Tito kluci jsou líhni, " říká.
Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
Papoušek hadí domek na červenooký žába stromů vejce, která může reagovat na jeho přístup. (Christian Ziegler) 
Milovaný symbol biologické rozmanitosti, červenozobý rosnička, ukázaná zde v Panamě, vyvinul flexibilní strategii pro přežití. (Christian Ziegler) 
Žabí vejce jeden den po položení. (Christian Ziegler) 
Vejce čtyři dny po položení. (Christian Ziegler) 
Vejce lpí na listu přes vodní poklop. (Christian Ziegler) 
Volně plavecké pulce. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin říká, že rozhodnutí o chování žabích embryí mohou být sofistikovanější, než jsme si mysleli. (Richard Schultz (3)) 
Proč vyboulené červené oči? K překvapení dravců, aby mohla žába vyskočit - vědci to nazývají „vyděšené zbarvení“. (Christian Ziegler) 
FOTOGALERIE
Žáby červené oči, Agalychnis callidryas, položily vejce na listoví na okraji rybníků; když se pulci vylíhnou, padají do vody. Normálně se vejce vylíhne šest až sedm dní po položení. Ti, na které Warkentin ukazuje, soudě podle jejich velikosti a tvaru, jsou asi pět dní, říká. Drobná těla se projevují průhlednou gelovou membránou. Pod mikroskopem by byla červená srdce jen viditelná.
Sáhne dolů, aby si namočila ruku do vody v jezírku. „Opravdu se nechtějí líhnout, “ říká, „ale mohou.“ Vytáhne list z vody a jemně přejede prstem po vejcích.
Klíčení! Vypadne drobná pulec. Přistává částečně dolů po listech, škubá se a padá do vody. Následují další a další z jejích sourozenců. "Není to něco, co mě unavuje ze sledování, " říká Warkentin.
Warkentin pouhým pohybem prstu ukázala jev, který mění biologii. Po desetiletích přemýšlení o genech jako o „modrotisku“ - kódované řetězce DNA diktují našim buňkám přesně to, co mají dělat a kdy to dělat - biologové se vyrovnávají s matoucí realitou. Život, dokonce i bytost tak zdánlivě jednoduchá jako žabí vejce, je flexibilní. Má možnosti. Přibližně za pět dní mohou červenozelená žába stromů, která se vyvíjí přesně podle plánu, náhle vydat jinou cestu, pokud detekují vibrace útočícího hada: Vylíhnou se brzy a zkusí štěstí v rybníku dole.
Překvapivá odezva vajíčka představuje revoluční koncept v biologii zvaný fenotypová plasticita, což je flexibilita, kterou organismus projevuje při převádění svých genů na fyzické rysy a činy. Fenotyp je téměř všechno o organismu jiném než jeho geny (které vědci nazývají genotypem). Koncept fenotypové plasticity slouží jako protijed k zjednodušujícímu uvažování o genech; snaží se vysvětlit, jak může gen nebo skupina genů vést k mnoha výsledkům, částečně závisí na tom, s čím se organismus ve svém prostředí setká. Studie evoluce se tak dlouho soustředila na samotné geny, že, jak říká Warkentin, vědci předpokládají, že „jednotlivci jsou odlišní, protože jsou geneticky odlišní. Ale spousta odchylek pochází z dopadů na životní prostředí. “
Když pokojová rostlina vytváří na slunci bledší listy a vodní blecha páteří chrání před hladovými rybami, projevují fenotypovou plasticitu. V závislosti na prostředí - ať už se jedná o hady, hurikány nebo o nedostatek potravin - se organismy mohou projevit různými fenotypy. Příroda nebo péče? No, obojí.
Realizace má velké důsledky pro to, jak si vědci myslí o evoluci. Fenotypová plastičnost nabízí řešení klíčové hádanky o tom, jak se organismy úmyslně nebo ne přizpůsobí environmentálním výzvám. A není už tak překvapivého příkladu vrozené flexibility než tato žabí vejce - slepé masy goo geneticky naprogramované tak, aby se vyvíjely a líhly jako hodinky. Nebo to tak vypadalo.
Žabí mláďata červenookého se vyhýbali hladovým hadům dlouho předtím, než Warkentin začal studovat tento jev před 20 lety. "Lidé nemysleli na vejce jako na možnost ukázat tento druh plasticity, " říká Mike Ryan, její PhD poradce na University of Texas v Austinu. "Bylo jasné, že během doktorské práce se jednalo o velmi, velmi bohaté pole, které sama vymyslela."
Karen Martin, biologka na Pepperdinově univerzitě, studuje také líhavost. "Vylíhnutí v reakci na nějaký druh hrozby je velmi důležitým poznatkem, " říká Martin. „Myslím, že byla první, kdo toho měl opravdu dobrý příklad.“ Oceňuje Warkentinovo trvalé úsilí naučit se velké hodiny biologie z žabích vajec: „Myslím, že se na tento systém mohlo podívat mnoho lidí a řekla: jakási podivná věc, ze které bych mohl dostat nějaké papíry, a teď půjdu dál a podívám se na nějaké jiné zvíře. “ Věnovala se pochopení tohoto systému. “
Výzkum společnosti Warkentin „způsobuje, abychom přemýšleli o tom, jak organismy reagují na výzvy dokonce velmi brzy v životě, “ říká Eldredge Bermingham, evoluční biolog a ředitel Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, prohlásil „str-eye“) v Gamboa, Panama. Warkentin, profesorka biologie na Bostonské univerzitě, vede terénní studium na STRI. Tam mi ukázala, jak nutí vejce, aby se vylíhla.
Pulec, který vyskočil z mokrého listu, má stále na svém břichu trochu žloutku; pravděpodobně nebudou muset jíst další den a půl. Warkentin se třel, dokud nezůstalo jen několik, a tvrdohlavě se schovávala uvnitř svých vajec. "Pokračuj, " řekne jim. "Nechci tě tady nechat všechny sám."
Poslední z pulců přistane ve vodě. Predátorské brouky známé jako backwimmers čekají na hladině, ale Warkentin říká, že zachránila žolíky před horším osudem. Jejich matka zmeškala značku a položila je na list, který nesahal přes rybník. "Kdyby se vylíhli na zemi, " říká, "pak by to byli jen mravenci."
***
Warkentin se narodila v Ontariu a její rodina se přestěhovala do Keni, když jí bylo 6. Její otec spolupracoval s Kanadskou mezinárodní rozvojovou agenturou, aby školil učitele v nově nezávislé zemi. Tehdy se začala zajímat o tropickou biologii, hrát si s chameleony a sledovat žirafy, zebry a gazely na cestě do školy v Nairobi. Její rodina se o několik let později vrátila do Kanady, ale ve 20 letech se vydala na stopování a turismus po celé Africe. "To bylo něco, co se zdálo v mé rodině naprosto rozumné, " říká.
Než zahájila doktorát, odešla do Kostariky, aby se dozvěděla více o tropech a hledala téma výzkumu. Pozemská vajíčka žáby červenookého stromu ji zaujala. Znovu a znovu navštěvovala stejný rybník a sledovala.
"Měl jsem tu zkušenost - což jsem si jistý, že už měli jiní tropičtí herpetologové a možná o tom nepřemýšleli - pokud máte spojku v pozdním stádiu, pokud do nich narazíte, poklopou na vás, " říká Warkentin . "Narazil jsem do spojky a všichni se zachraňovali."
Viděla také hady u rybníka. "Myslel jsem si, wow, zajímalo by mě, co by se stalo, kdyby do nich narazil had, " řekla a zasmála se. "Jako, s jeho ústy?" Opravdu zjistila, že pokud se objeví had a začne útočit na spojku, vejce se vylíhnou brzy. Embrya uvnitř vajíček mohou dokonce rozeznat rozdíl mezi hadem a jinými vibracemi na listu. "To je věc, jít ven na pole a sledovat zvířata, " říká. "Řeknou vám věci, které jste někdy neočekávali."
Biologové si mysleli, že se tento druh flexibility dostal do cesty ke studiu evoluce, říká Anurag Agrawal, evoluční ekolog na Cornell University. Už ne. Je vzrušující, že Warkentin dokumentoval úžasné nové věci o charismatické žábě, ale Agrawal říká, že je toho mnohem víc. "Myslím, že si zaslouží uznání za to, že ji překonala" gee whiz "a položila některé koncepční otázky v ekologii a evoluci."
Jaké jsou výhody jedné taktiky přežití oproti jiné? Dokonce i pětidenní žába musí vyvážit výhodu spočívající v tom, že se vyhne hladovému hada proti nákladům na líhnutí brzy. A ve skutečnosti Warkentin a její kolegové zdokumentovali, že časně vylíhající žubříci přežili do dospělosti méně než jejich bratři, kteří se vylíhli později, zejména v přítomnosti hladových nymf vážek.
Plasticity nejen umožňuje žáby vyrovnat se s výzvami v tuto chvíli; mohlo by dokonce koupit čas na vývoj. Warkentin zjistil, že pulci se také líhnou brzy, pokud jim hrozí vyschnutí. Pokud by se deštný prales postupně stal suchším, mohlo by se takové předčasné líhnutí stát po mnoha generacích standardem a žába by mohla ztratit svou plasticitu a vyvinout se v nový, rychle se líhající druh.
Jedním z hlavních způsobů evolučního myšlení je to, že náhodné genetické mutace v DNA organismu jsou klíčem k přizpůsobení se výzvě: Náhodou se změní sekvence genu, objeví se nová vlastnost, organismus předá svou pozměněnou DNA do dalšího generace a nakonec vede k jinému druhu. Podobně, před desítkami milionů let, získal nějaký pozemský savec mutace, které mu umožnily přizpůsobit se životu v oceánu - a jeho potomci jsou velryby, které známe a milujeme. Ale plasticita nabízí další možnost: Samotný gen nemusí mutovat, aby se objevila nová vlastnost. Místo toho by něco v prostředí mohlo organismus postrčit, aby provedl změnu, a to čerpáním z variace, která je již v jeho genech.
Je jisté, že teorie, že plasticita by ve skutečnosti mohla vést k novým vlastnostem, je kontroverzní. Jejím hlavním zastáncem je Mary Jane West-Eberhard, průkopnická teoretická biologka v Kostarice spojená se STRI a autorkou vlivné knihy 2003 Developmental Plasticity and Evolution . "20. století bylo nazváno století genu, " říká West-Eberhard. "21. století slibuje, že bude prostředím." Říká, že myšlení zaměřené na mutaci je "evoluční teorie popírání." Darwin, který ani neznal geny, které existovaly, měl pravdu, říká: Nechal otevřený možnost, že by nové vlastnosti mohly vzniknout kvůli vlivu na životní prostředí.
West-Eberhard říká, že skupina Warkentinů „prokázala překvapivou schopnost malých embryí přijímat adaptivní rozhodnutí založená na vynikající citlivosti na jejich prostředí.“ Tento druh variace, West-Eberhard říká, „může vést k evoluční diverzifikaci mezi populacemi.“
Ačkoli ne každý souhlasí s teorií West-Eberharda o tom, jak by plasticita mohla přinést novinky, mnoho vědců si nyní myslí, že fenotypová plasticita se objeví, když organismy žijí v prostředí, které se liší. Plasticita může rostlinám a zvířatům poskytnout čas na přizpůsobení, když jsou vyhozena do zcela nového prostředí, například když jsou semena foukána na ostrov. Semeno, které není tak vybíravé, co se týče jeho požadavků na teplotu a světlo, by mohlo být na novém místě lepší - a nemusí čekat, až přijde adaptivní mutace.
Mnoho vědců si také myslí, že plasticita může organismům pomoci vyzkoušet nové fenotypy, aniž by jim byla zcela svázána. Například předčasné líhnutí. Různé druhy žab se velmi liší v tom, jak jsou vyvinuté, když se líhnou. Někteří mají potopený ocas a stěží umí plavat; ostatní jsou plně tvarovaná, čtyřnohá zvířata. "Jak se vám to vyvine jako variace?" Zeptá se Warkentin. "Hraje v tom roli plasticita v líhni?" Nevíme, ale je to docela možné. “
***
Město Gamboa bylo postaveno v letech 1934 až 1943 společností Panama Canal Company, vládní korporací USA, která tento kanál ovládala až do roku 1979, kdy byla předána Panamě. Gamboa, na okraji deštného pralesa, je součástí města duchů, částí společenství ložnic pro město Panama a částí vědeckého letního tábora. Poměrně málo obyvatel jsou vědci a zaměstnanci společnosti STRI.
Když jsem navštívil, Warkentinův tým měl až tucet lidí, včetně několika vysokoškoláků, které označuje jako „děti“. Jednou ráno poslušnost energicky vyhlížejících mladých lidí v gumových botách, batohech a kloboucích odchází z Warkentinovy laboratoře a kráčí přes pole za školou, kolem tenisových kurtů.
James Vonesh, profesor na Virginia Commonwealth University, který s Warkentinem absolvoval postdoktorandské společenství a stále s ní spolupracuje, poukazuje na své oblíbené znamení ve městě, pozdržení z éry Canal Zone: „No Necking.“ stánky u starého bazénu, nyní součástí místního sportovního klubu hasičů. Pak vysvětlí jednomu z dětí, co znamená „krk“.
Kráčejí po silnici do školky pro původní rostliny, překonávají příkop na lávce a dorazí k Experimental Pond. Byl postaven z betonu podle specifikací poskytnutých Warkentinem a Stanem Randem, váženým výzkumníkem žab na STRI, který zemřel v roce 2005.
Na druhé straně rybníka je výzkumná oblast skupiny, ohraničená příkopem na jedné straně a potokem, pak deštným pralesem, na straně druhé. K dispozici je kovová střecha s otevřenými bočnicemi, obklopená desítkami 100 galonových nádrží používaných v pokusech. Vypadají jako kbelíky stanovené k zachycení řady extrémně velkých úniků. Vonesh hovoří o instalatérském systému s nadšením, než se zdá být možné. "Můžeme naplnit nádrž na dobytek za tři nebo čtyři minuty!" Zvolal.
To vše rychlé plnění znamená, že vědci mohou provádět rychlé experimenty, o kterých jiní vodní ekologové mohou jen snít. Dnes demontují experiment na predaci. Před čtyřmi dny bylo do každé z 25 tanků vloženo 47 pulců spolu s jedním Belostomatidem, což je druh vodní chyby, která jí pulci. Dnes spočítají pulce, aby zjistili, kolik Belostomatidů snědlo.
Obří modrý morpho motýl letí kolem, jeho duhově křídla šokující stříkající elektrická modrá proti svěžímu zelenému lesu. "Přicházejí kolem stejného místa ve stejnou denní dobu, " říká Warkentin.
"Přísahám, že to vidím každé ráno, " říká Vonesh.
"Je to morfie 9:15, " říká Warkentin.
Warkentin vysvětluje experiment, který dnes dokončují. "Víme, že dravci očividně zabijí kořist a také děsí kořist, " říká. Když nově vylíhnuté pulci spadnou do rybníka, vodní chyby jsou jednou z hrozeb, kterým čelí. Plastičnost pulců jim může pomoci vyhýbat se jedení - pokud mohou detekovat chyby a nějakým způsobem reagovat.
Ekologové vyvinuli matematické rovnice popisující, kolik kořisti by dravec měl být schopen jíst, a elegantní grafy ukazují, jak populace roste a klesá, když jeden jí druhý. Ale co se skutečně děje v přírodě? Záleží na velikosti? Kolik 1-denních žilků jedí plně vzrostlá vodní chyba? Kolik starších, tlustších pulců? "Je zřejmé, že si myslíme, že malé věci je snazší chytit, jíst a držet v ústech, " říká Vonesh. "Ale opravdu jsme to nezačlenili ani do těchto základních modelů."
Abychom zjistili, kolik jedlých kusů bylo snědeno, musí vysokoškoláci, postgraduální studenti, profesoři a postdoktorský kolega z každého tanku vyčíst každou poslední žabku. Vonesh zvedl ze země u nohou čirý plastový kelímek. Uvnitř je vodní chyba, která se hodila na pulcích. "Je to velký chlap, " říká. Sáhne do nádrže se sítí, jednu nebo dvě vytáhne pulce a vloží je do mělké plastové vany.
„Jste připraveni?“ Zeptá se Randall Jimenez, postgraduální student na Národní univerzitě v Kostarice.
"Jsem připraven, " říká Vonesh. Vonesh nakloní nádrž, když Jimenez drží síť pod tekoucí vodou. Kluci sledují síť pro všechny pulce, které Vonesh vynechal. "Vidíš někoho?" Zeptá se Vonesh. "Ne, " říká Jimenez. Voda vytéká téměř 30 sekund. Většina vědců nosí vysoké gumové boty, které chrání před hady, ale jsou užitečné, protože země se rychle mění v bláto.
Hejno gracklů se toulá trávou trávou. "Rád jedí pulce, " říká Vonesh. "Rádi se potkávají a předstírají, že hledají žížaly, ale jakmile otočíte zády, jsou ve vaší vaně."
Vonesh vezme svou vanu pulců do kůlny, kde ji Warkentin fotografuje. Student spočítá pulce v každém obrázku. Hmyz a ptáci zpívají ze stromů. Na kovovou střechu něco spadne - zapadne. Nákladní vlak hvízdá z kolejí, které vedou podél kanálu; skupina kvílivých opic štěká drsnou reakci ze stromů.
Vědcům jako Warkentin nabízí Gamboa trochu deštného pralesa asi hodinu jízdy od mezinárodního letiště. "Ó můj bože. Je to tak snadné, “říká. "Existuje nebezpečí, že si neuvědomíme, jak úžasné to je." Je to neuvěřitelné místo pro práci. “
Během dne se kultovní žáby s červenýma očima nedočkají. Pokud víte, co hledáte, najdete občasného dospělého muže, který se drží na listu jako světle zelená krabička - nohy složené, lokty zastrčené vedle sebe, aby se minimalizovala ztráta vody. Každé oko pokrývá membrána vzorovaná jako vyřezávaná dřevěná okenní obrazovka mešity.
Skutečná akce je v noci, takže jednoho večera Warkentin, Vonesh a někteří hosté navštíví rybník, aby hledali žáby. Ptáci, hmyz a opice jsou tiché, vzduch však vyplňuje cvrlikání obojživelníků a vrzání. Volání jedné žáby je jasné, hlasité „klepání!“ Další zvuk zní přesně jako paprsek ve videohře. V noci je les divočejší.
Mužská žába s červenýma očima se poblíž boudy drží na stopce širokého listu. Roztažené malé oranžové prsty ukazuje své bílé břicho a široké červené oči ve světle několika světlometů. "Mají tyto fotogenické polohy, " říká Warkentin. "A oni tam jen tak sedí a nechají vás vyfotit." Neutekají. Některé žáby jsou tak nervózní. “Možná to je důvod, proč se červená žába na stromě proslavila a její obrázek na tolika kalendářích navrhuji - je snadnější fotografovat než jiné žáby. Opravuje mě: „Jsou moudřejší.“
Vědci si myslí, že předci moderních žab znesli všechna vejce do vody. Možná se červenozobá rosnička sama mohla vyvinout v návaznosti na fenotypovou plasticitu. Možná předchůdce položil vejce z vody, jen ve skutečně mokrých dnech, aby se dostal z vodních predátorů - plastikový způsob, jak se vypořádat s nebezpečným prostředím - a tato vlastnost se přenesla na jeho potomky, kteří nakonec ztratili schopnost snášet vejce ve vodě vůbec.
Nikdo neví, jestli se to stalo. "Bylo to velmi dávno a už se k těmto experimentům nepřistupuje, " říká Warkentin.
Probíhají však zajímavé experimenty na jiné žabě - té, která by mohla stále procházet přechodem mezi vodou a zemí. Justin Touchon, bývalý doktorand z Warkentinu, studuje, jak rosnička přesýpací hodiny, Dendropsophus ebraccatus, klade svá vejce, která jsou méně plná želé a náchylnější k vysychání než žáby stromů s červenýma očima. Zdá se, že ženská žába přesýpacích hodin si vybere, kde položit vejce na základě vlhkosti. U rybníků zastíněných stromy, Touchon zjistil, že položí vejce na listy nad vodou, ale v teplejších a více vystavených rybnících vejdou vejce do vody.
Ve studii zveřejněné minulý měsíc zjistil, že vajíčka s větší pravděpodobností přežijí na zemi, pokud bude hodně deště, a větší pravděpodobnost, že přežijí ve vodě, bude-li srážka omezená. Také se podíval na dešťové záznamy pro Gambou za posledních 39 let a zjistil, že zatímco se celkové srážky nezměnily, vzor má: Bouře jsou větší, ale sporadičtější. Tato změna prostředí by mohla být hnací silou změny v tom, jak se rozmnožují žáby stromu přesýpacích hodin. "Dává to okno o tom, co způsobilo pohyb k rozmnožování na zemi, " říká Touchon - klima, které se změnilo na spoustu ustáleného deště, by mohlo pro žáby bezpečnější snášet vejce z vody.
Skupina Warkentina vychází z přízemí základní školy Gamboa, která byla uzavřena v 80. letech. Jednoho rána sedí Warkentin na starobylé otočné židli se zaprášenými pažemi u kancelářského stolu v důchodu a dělá to, co vypadá jako projekt řemesel ve střední škole.
Na podlaze po její levé straně sedí bílý kbelík s řadami zelených obdélníků, které byly napojeny dovnitř. Sáhne dolů a jednu vytáhne. Je to kus listu, řezaný nůžkami z jedné z listnatých rostlin experimentálním rybníkem a na něm je spojka želatinových žabí vejce s červenýma očima. Odtrhne pruh pásky a nalepí kus listu na modrý plastový obdélník, vystřižený z plastové piknikové desky.
"S jednorázovým nádobím, lepicí páskou a pozinkovaným drátem můžete udělat úžasné množství vědy, " říká.
Postaví kartu do čirého plastového kelímku s trochou vody na dně, kde padlíci padnou, když se poklopí, a přejdou k dalšímu kusu listu. Pulečky budou součástí nových predátorských experimentů.
V jednoduchých modelech je velká vysvětlující hodnota - chce však pochopit, jak příroda skutečně funguje. "Snažíme se zápasit s tím, co je skutečné, " říká. "A realita je složitější."
