Karen Warkentin, iført høje olivengrønne gummistøvler, står på bredden af en betonforet dam i udkanten af den panamanske regnskov. Hun trækker på et bredt grønt blad, stadig fastgjort til en gren og peger på en skinnende kobling af geléagtige æg. ”Disse fyre kan klækkes ud, ” siger hun.
Fra denne historie
[×] LUKKET
En papegøje slange hjem i på rødøjede træ frøæg, som kan reagere på dens tilgang. (Christian Ziegler) 
Et elskede symbol på biologisk mangfoldighed, den rødøjede træfrø, vist her i Panama, har udviklet en fleksibel strategi for overlevelse. (Christian Ziegler) 
Frøæg en dag efter at have været lagt. (Christian Ziegler) 
Æg fire dage efter at have været lagt. (Christian Ziegler) 
Æg klæber fast på et blad over vandluge. (Christian Ziegler) 
Fri-svømmende rumpehuller. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin siger, at froskeembryoeres adfærdsbeslutninger kan være mere sofistikerede, end vi forestillede os. (Richard Schultz (3)) 
Hvorfor de svulmende røde øjne? For at overraske rovdyr, så frøen kan hoppe væk - forskere kalder det "overraskende farve." (Christian Ziegler) 
Fotogalleri
Røde øjne frøer, Agalychnis callidryas, lægger deres æg på løv ved kanten af damme; når rumpetræserne klækker ud, falder de i vandet. Normalt klekkes et æg seks til syv dage efter, at det er lagt. De, Warkentin peger på, vurderet ud fra deres størrelse og form, er omkring fem dage gamle, siger hun. Små legemer vises gennem den klare gelfyldte membran. Under et mikroskop ville de røde hjerter bare være synlige.
Hun rækker ned for at fugtige hånden i damvandet. ”De vil ikke rigtig kløe, ” siger hun, “men de kan.” Hun trækker bladet ud over vandet og løber forsigtigt en finger over æggene.
Sproing! En lille rumpestang bryder ud. Den lander halvvejs ned ad løvet, rykker og falder i vandet. En og anden af dens søskende følger. ”Det er ikke noget, jeg bliver træt af at se, ” siger Warkentin.
Warkentin har med bare en finger af fingeren demonstreret et fænomen, der forvandler biologi. Efter årtier med at tænke på gener som en ”plan” - de kodede DNA-strenge dikterer vores celler præcis, hvad de skal gøre, og hvornår de skal gøre det, kommer biologer til en forvirrende virkelighed. Livet, selv en enhed så tilsyneladende enkel som et frøæg, er fleksibelt. Det har muligheder. Om fem dage eller deromkring kan rødøjede træfrosæg, der udvikler sig lige efter planen, pludselig tage en anden vej, hvis de registrerer vibrationer fra en angribende slange: De klekkes tidligt ud og prøver lykken i dammen nedenfor.
Æggets overraskende lydhørhed indebærer et revolutionerende koncept inden for biologi kaldet fænotypisk plasticitet, hvilket er den fleksibilitet, som en organisme viser ved oversættelse af dets gener til fysiske træk og handlinger. Fænotypen handler stort set alt om en anden organisme end dens gener (som forskere kalder genotypen). Begrebet fænotypisk plasticitet fungerer som en modgift til en forenklet årsag-og-virkning tanker om gener; det forsøger at forklare, hvordan et gen eller et sæt gener kan give anledning til flere resultater, delvis afhængigt af, hvad organismen støder på i sit miljø. Evolutionsstudiet har så længe koncentreret sig om gener, at forskere har antaget, at ”individer er forskellige, fordi de er genetisk forskellige, ” siger Warkentin. Men meget af variationen derude kommer fra miljøeffekter. ”
Når en stueplante laver lysere blade i solen, og en vandloppe vokser rygsøjler for at beskytte mod sultne fisk, viser de fænotypisk plasticitet. Afhængig af miljøet - uanset om der er slanger, orkaner eller madmangel at håndtere - kan organismer frembringe forskellige fænotyper. Natur eller pleje? Nå, begge dele.
Erkendelsen har store konsekvenser for, hvordan forskere tænker på evolution. Fænotypisk plasticitet tilbyder en løsning på det afgørende puslespil om, hvordan organismer tilpasser sig miljøudfordringer, med vilje eller ej. Og der er ikke et mere forbløffende eksempel på medfødt fleksibilitet end disse frøæg - blinde masser af goo, der er genetisk programmeret til at udvikle sig og klekkes ud som urværk. Eller så syntes det.
Rødøjede træfroseklækkere undvigede sultne slanger længe, inden Warkentin begyndte at studere fænomenet for 20 år siden. ”Folk havde ikke tænkt på æg som muligheden for at vise denne form for plasticitet, ” siger Mike Ryan, hendes ph.d.-rådgiver ved University of Texas i Austin. ”Det var meget tydeligt, da hun lavede sin ph.d.-afhandling, at dette var et meget, meget rige felt, som hun slags havde opfundet på egen hånd.”
Karen Martin, en biolog ved Pepperdine University, studerer også rugeplastisitet. ”Hatching som svar på en slags trussel har været en meget vigtig indsigt, ” siger Martin. ”Jeg tror, hun var den første, der havde et rigtig godt eksempel på det.” Hun roser Warkentins vedvarende indsats for at lære store biologilektioner fra frøæg: ”Jeg tror, at mange mennesker måske har set på dette system og sagt: 'Her en slags sære ting, som jeg kunne få nogle papirer ud af, og nu skal jeg gå videre og se på et andet dyr. ' Hun dedikerede sig til at forstå dette system. ”
Warkentins forskning "får os til at tænke mere om hvordan organismer reagerer på udfordringer, selv meget tidligt i livet, " siger Eldredge Bermingham, en evolutionær biolog og direktør for Smithsonian Tropical Research Institute (STRI, udtalt "str-eye") i Gamboa, Panama. Warkentin, en biologiprofessor ved Boston University, udfører sine feltstudier på STRI. Det var her hun viste mig, hvordan hun lokker ægene til at klekkes.
Rumpetræer, der springer fra det våde blad, har stadig en lille æggeblomme på mave; de behøver sandsynligvis ikke at spise en anden og en halv dag. Warkentin gnider fortsat, indtil der kun er et par få tilbage, skjult hårdt i deres æg. ”Fortsæt, ” fortæller hun dem. ”Jeg vil ikke overlade jer her alene.”
Den sidste af rumpetroller lander i vandet. Rovdyrsfejl kendt som bagerste svømmere venter på overfladen, men Warkentin siger, at hun reddede rumpehuller fra en værre skæbne. Deres mor havde savnet mærket og lagt dem på et blad, der ikke rakte over dammen. ”Hvis de rukket ud på jorden, ” siger hun, ”så ville de bare være myremad.”
***
Warkentin blev født i Ontario, og hendes familie flyttede til Kenya, da hun var 6 år. Hendes far arbejdede sammen med det canadiske internationale udviklingsagentur for at uddanne lærere i det nyligt uafhængige land. Det var, da hun interesserede sig for tropisk biologi, legede med kamæleoner og så på giraffer, zebraer og gazeller på kørslen til skolen i Nairobi. Hendes familie vendte tilbage til Canada flere år senere, men klokken 20 gik hun på vandring og rygsæk over Afrika. ”Det var noget, der syntes helt rimeligt i min familie, ” siger hun.
Inden hun startede sin ph.d., gik hun til Costa Rica for at lære mere om troperne og kigge efter et forskningsemne. Den rødøjede træfros terrestriske æg fangede hendes interesse. Hun besøgte den samme dam igen og igen og så på.
”Jeg havde oplevelsen - som jeg er sikker på, at andre tropiske herpetologer har haft før og måske ikke tænkte over - hvis du har en kobling i et sent stadium, hvis du støder på dem, vil de klebe på dig, ” siger Warkentin . ”Jeg stødte på en kobling, og de gik alle ud.”
Hun havde også set slanger ved dammen. ”Hvad jeg troede var, wow, jeg spekulerer på, hvad der ville ske, hvis en slange stødte på dem, ” siger hun og griner. ”Ligesom med munden?” Hun fandt faktisk, at hvis en slange vises og begynder at angribe koblingen, klækkes æggene tidligt. Embryoerne inde i æggene kan endda fortælle forskellen mellem en slange og andre vibrationer på bladet. ”Dette er den ting, at gå ud i marken og se på dyrene, ” siger hun. "De vil fortælle dig ting, som du ikke forventede nogle gange."
Biologer troede, at denne form for fleksibilitet kom i vejen for at studere evolution, siger Anurag Agrawal, en evolutionær økolog ved Cornell University. Ikke længere. Det er spændende, at Warkentin har dokumenteret vidunderlige nye ting om en karismatisk frø, men Agrawal siger, at der er meget mere ved det. ”Jeg tror, at hun får æren for at have taget det ud over 'gee whiz' og stillet nogle af de begrebsmæssige spørgsmål inden for økologi og evolution.”
Hvad er fordelene ved en overlevelsestaktik frem for en anden? Selv en 5-dages gammel frø skal afveje fordelene ved at undgå en sulten slange mod omkostningerne ved udklækning tidligt. Og faktisk har Warkentin og hendes kolleger dokumenteret, at tidlig ruge rumpehuller var mindre sandsynlige end deres sent klekkede brødre til at overleve til voksen alder, især i nærvær af sultne Dragonfly-nymfer.
Plasticitet lader ikke kun frøer klare udfordringer i øjeblikket; det kan endda købe tid til, at evolutionen kan ske. Warkentin har fundet, at rumpehuller også klækkes tidligt, hvis de risikerer at udtørre. Hvis regnskoven gradvis blev tørrere, kan en sådan tidlig klækning blive standard efter utallige generationer, og frøen kan miste sin plastificitet og udvikle sig til en ny, hurtigt klevende art.
En af grundlæggende elementer i den evolutionære tænkning er, at tilfældige genetiske mutationer i en organisms DNA er nøglen til at tilpasse sig en udfordring: Tilfældigt ændres et sekvens af et gen, en ny egenskab opstår, organismen videregiver sit ændrede DNA til det næste generering og til sidst giver anledning til en anden art. I overensstemmelse hermed er der for titvis af millioner af år siden nogle landpattedyr erhvervet mutationer, der lader det tilpasse sig livet i havet - og dets efterkommere er de hvaler, vi kender og elsker. Men plasticitet tilbyder en anden mulighed: Genet i sig selv behøver ikke at mutere for at en ny egenskab kan komme til at komme over. I stedet kunne noget i miljøet skubbe organismen til at foretage en ændring ved at trække på variationen, der allerede findes i dens gener.
Teorien om, at plasticitet faktisk kunne give anledning til nye træk, er helt sikkert kontroversiel. Dens vigtigste talsmand er Mary Jane West-Eberhard, en banebrydende teoretisk biolog i Costa Rica tilknyttet STRI og forfatter af den indflydelsesrige bog Bog 2003 Developmental Plasticity and Evolution . ”Det 20. århundrede er blevet kaldt genets århundrede, ” siger West-Eberhard. ”Det 21. århundrede lover at være miljøets århundrede.” Hun siger, at mutationscentrisk tænkning er ”en evolutionær teori i benægtelse.” Darwin, som ikke engang vidste, at gener eksisterede, havde det rigtigt, siger hun: Han forlod åben muligheden for, at nye træk kan opstå på grund af miljøpåvirkning.
West-Eberhard siger, at Warkentins gruppe har "demonstreret en overraskende evne hos små embryoner til at tage adaptive beslutninger baseret på udsøgt følsomhed over for deres miljøer." Den slags variation, siger West-Eberhard, "kan føre til evolutionær diversificering mellem befolkningen."
Selvom ikke alle er enige i West-Eberhards teori om, hvordan plasticitet kan skabe nyhed, tror mange forskere nu, at fænotypisk plasticitet vil opstå, når organismer lever i miljøer, der varierer. Plasticitet kan give planter og dyr tid til at tilpasse sig, når de dumpes i et helt nyt miljø, f.eks. Når frø sprænges til en ø. Et frø, der ikke er så kræsent med hensyn til dets temperatur og lysbehov, kan gøre det bedre et nyt sted - og måske ikke behøver at vente på, at en adaptiv mutation kommer med.
Mange forskere mener også, at plasticitet kan hjælpe organismer med at afprøve nye fænotyper uden at være helt engagerede i dem. F.eks. Tidlig klækning. Forskellige arter af frøer varierer meget, hvor udviklede de er, når de klekkes. Nogle har en stubben hale og kan næppe svømme; andre er fuldt dannede, firbenede dyr. ”Hvordan får du den slags udviklede variation?” Spørger Warkentin. ”Har plastik i ruge tiden en rolle i det? Vi ved ikke, men det er meget muligt. ”
***
Byen Gamboa blev bygget mellem 1934 og 1943 af Panama Canal Company, et amerikansk regeringsselskab, der kontrollerede kanalen indtil 1979, hvor den blev overdraget til Panama. Gamboa, på kanten af en regnskov, er en del af spøgelsesbyen, et soveværelsessamfund til Panama City og en del af den videnskabelige sommerlejr. En hel del beboere er forskere og ansatte ved STRI.
Da jeg besøgte, havde Warkentins team op til et dusin mennesker, inklusive flere studerende, hun omtaler som ”børnene.” En morgen afgår en bølge af energiske, unge mennesker i knæhøje gummistøvler, rygsække og hatte Warkentins laboratorium og skridt på tværs af feltet bag skolen forbi tennisbanerne.
James Vonesh, professor ved Virginia Commonwealth University, der gjorde et postdoktoralt stipendium med Warkentin og stadig samarbejder med hende, påpeger hans yndlingsskilt i byen, et holdover fra Canal Zone æra: "No Necking." Det er malet på forsiden af tribunerne ved den gamle swimmingpool, nu en del af den lokale brandmanders sportsklub. Derefter forklarer han til en af børnene, hvad "halsring" betyder.
De går ad en vej ind i en planteskole for indfødte planter, krydser en grøft på en gangbro og ankommer til Experimental Pond. Det blev bygget af beton i henhold til specifikationer leveret af Warkentin og Stan Rand, en ærbødig frøforsker på STRI, der døde i 2005.
På damens fjernside er gruppens forskningsområde afgrænset af en grøft på den ene side og en strøm, derefter regnskov på den anden. Der er et metal-taget skur med åbne sider, omgivet af snesevis af 100 gallon kvægtanke, der bruges til forsøg. De ligner skovle, der er beregnet til at fange en række ekstremt store lækager. Vonesh taler om VVS-systemet med mere entusiasme, end det synes muligt. ”Vi kan fylde en kvægbeholder på tre eller fire minutter!” Udbryder han.
Al den hurtige fyldning betyder, at forskerne kan udføre hurtige eksperimenter, som andre akvatiske økologer kun kan drømme om. I dag demonterer de et eksperiment med predation. For fire dage siden blev 47 rumpehuller placeret i hver af 25 tanke sammen med en Belostomatid, en slags vandfejl, der spiser rumpehuller. I dag tæller de rumpehuller for at finde ud af, hvor mange Belostomatider spiste.
En kæmpe blå morpho sommerfugl flyver forbi, dens iriserende vinger en chokerende plask af elektrisk blå mod den frodige grønne skov. ”De kommer som det samme sted på samme tid på dagen, ” siger Warkentin.
”Jeg sværger, at jeg ser den hver morgen, ” siger Vonesh.
”Det er morphoen fra 9:15, ” siger Warkentin.
Warkentin forklarer det eksperiment, de afslutter i dag. ”Vi ved, at rovdyr dræber bytte, selvfølgelig, og de skræmmer også bytte, ” siger hun. Når nye ruede rumpetroller falder ned i en dam, er vandbugs en af de trusler, de står overfor. Rumpehumpenes plasticitet kan hjælpe dem med at undgå at blive spist - hvis de kan opdage bugs og på en eller anden måde reagere.
Økologer har udviklet matematiske ligninger, der beskriver hvor meget bytte et rovdyr skal kunne spise, og elegante grafer viser, hvordan bestande stiger og falder, når den ene spiser den anden. Men hvad sker der egentlig i naturen? Har størrelse noget? Hvor mange 1-dages gamle rumpehuller spiser en fuldt dyrket vandfejl? Hvor mange ældre, federe rumpehuller? ”Det er klart, at vi synes, små ting er lettere at fange og spise og stikke i munden, ” siger Vonesh. ”Men vi har virkelig ikke indarbejdet det i selv denne form for basismodeller.”
For at finde ud af, hvor mange rumpehuller, der er blevet spist, skal de studerende, kandidatstuderende, professorer og en postdoktor have hver sidste rumpestang ud af hver tank, der skal tælles. Vonesh henter en klar plastdrikke kop fra jorden ved hans fødder. Inden i er en vandfejl, der festede på rumpehuller. ”Han er en stor fyr, ” siger han. Han rækker ind i en tank med nettet, trækker rumpehuller en eller to ad gangen og sætter dem i et lavt plastikbad.
“Er du klar?” Spørger Randall Jimenez, en kandidatstuderende ved National University of Costa Rica.
”Jeg er klar, ” siger Vonesh. Vonesh tipser tanken, da Jimenez holder et net under det vandende vand. Fyrene ser på nettet for enhver rumpestumpe, som Vonesh gik glip af. ”Ser du nogen?” Spørger Vonesh. ”Nej, ” siger Jimenez. Det tager næsten 30 sekunder for vandet at strømme ud. De fleste af forskerne har høje gummistøvler til beskyttelse mod slanger, men de er nyttige, da jorden hurtigt bliver til mudder.
En flok grackles vandrer nonchalant gennem græsset. ”De kan godt lide at spise rumpehuller, ” siger Vonesh. ”De kan godt lide at hænge ud og lade som om de leder efter regnorme, men så snart du vender ryggen, er de i dit karbad.”
Vonesh tager sit badekar med rumpehuller til skuret, hvor Warkentin fotograferer det. En studerende tæller rumpehuller på hvert billede. Insekter og fugle synger fra træerne. Der falder noget - plink - på metalltaket. Et godstog fløjter fra togsporene, der løber langs kanalen; en gruppe hylende aber gnager et voldsomt svar fra træerne.
For forskere som Warkentin tilbyder Gamboa en smule regnskov cirka en times kørsel fra en international lufthavn. "Åh gud. Det er så let, ”siger hun. ”Der er en fare for ikke at værdsætte, hvor forbløffende det er. Det er et utroligt sted at arbejde. ”
I løbet af dagen hopper de ikoniske rødøyede frøer ikke. Hvis du ved, hvad du leder efter, kan du finde en lejlighedsvis voksen mand, der klamrer sig fast på et blad som en lysegrøn pilboks - ben foldet, albuer gemt ved hans side for at minimere vandtab. En membran mønster som en moskees udskårne trævinduesskærm dækker hvert øje.
Den virkelige handling er om natten, så en aften besøger Warkentin, Vonesh og nogle gæster dammen for at se efter frøer. Fuglene, insekterne og aber er stille, men amfibie kvidrer og knirk fylder luften. En frosks opkald er et klart, højt "knock-knock!" En anden lyder nøjagtigt som en strålepistol i et videospil. Skoven føles mere vild om natten.
I nærheden af et skur klæber en mandlig rødøjet træfrø fast på stilken på et bredt blad. Lille orange tæer spreder ud, han viser sin hvide mave og brede røde øjne i lyset af flere forlygter. ”De har disse fotogene positioner, ” siger Warkentin. ”Og de sidder bare der og lader dig tage et billede. De løber ikke væk. Nogle frøer er ligesom så nervøse. ”Det er måske derfor, den rødøjede træfrø er blevet berømt med sit billede på så mange kalendere, antyder jeg - de er lettere at fotografere end andre frøer. Hun korrigerer mig: "De er cuter."
Forskere mener, at forfædrene til moderne frøer alle lagde deres æg i vand. Måske kunne den rødøjede træfrø selv have udviklet sine bladlægningsvaner som et resultat af fænotypisk plasticitet. Måske forsvandt en forfader ved at lægge ægene ud af vandet, kun på virkelig våde dage, for at komme væk fra vandlevende rovdyr - en plastisk måde at håndtere et farligt miljø på - og den egenskab blev sendt videre til dens efterkommere, som til sidst mistede evnen til at lægge æg i vandet overhovedet.
Ingen ved, om det er sådan det skete. ”Det var for meget længe siden og ikke længere tilgængeligt for den slags eksperimenter, ” siger Warkentin.
Men spændende eksperimenter på en anden slags frø - en, der stadig kan navigere overgangen mellem vand og land - er i gang. Justin Touchon, en tidligere ph.d.-studerende ved Warkentins studerer, hvordan timeglas træfrøen, Dendropsophus ebraccatus, lægger æg, der er mindre fyldt med gelé og mere tilbøjelige til udtørring end rødøjede træfrøer. En kvindelig timeglas træfrø ser ud til at vælge, hvor de skal lægge æg baseret på fugtighed. Ved søer, der er skygge af træer, fandt Touchon, lægger de æg på blade over vandet, men ved varmere, mere udsatte damme går æggene i vandet.
I en undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste måned, fandt han, at æg var mere tilbøjelige til at overleve på land, hvis der var meget regn, og mere tilbøjelige til at overleve i vand, hvis nedbør var sparsomt. Han kiggede også på regnoptegnelser for Gamboa i de sidste 39 år og fandt, at selvom den samlede nedbør ikke har ændret sig, har mønsteret: Storme er større, men mere sporadiske. Denne ændring i miljøet kunne være en drivkraft for en ændring i, hvordan timeglas træfroskerne gengiver sig. ”Det giver et vindue for, hvad der fik bevegelsen til at reproducere sig på land, ” siger Touchon - et klima, der skiftede til masser af jævn regn, kunne have gjort det mere sikkert for frøer at lægge æg ud af vandet.
Warkentins gruppe er baseret på stueetagen på Gamboa Elementary School, som lukkede i 1980'erne. En morgen sidder Warkentin på en gammel drejelig stol med støvede arme ved et pensioneret kontor og gør, hvad der ligner et håndværksprojekt i klasse skole.
På gulvet til venstre sidder en hvid spand med rækker af grønne rektangler, der er tape-indvendigt. Hun når ned og trækker en ud. Det er et stykke blad, der er skåret med en saks fra en af de bredbladede planter ved det eksperimentelle dam, og på det er en kobling af gelatinøse rødøjede frøæg. Hun river en båndstrimmel af og stikker bladstykket på et blåt plastrektangel, skåret af en plastik-picnicplade.
”Du kan gøre en forbløffende mængde videnskab med engangsopvask, duct tape og galvaniseret tråd, ” siger hun.
Hun står kortet i en klar plastkoppe med lidt vand i bunden, hvor rumpehuller vil falde, når de klækker, og fortsætter til det næste stykke blad. Rumpetraller vil være en del af nye predationseksperimenter.
Der er stor forklarende værdi i enkle modeller - men hun vil forstå, hvordan naturen faktisk fungerer. ”Vi prøver at kæmpe med det, der er ægte, ” siger hun. ”Og virkeligheden er mere kompliceret.”
