Карен Варкентин в высоких оливковых резиновых сапогах стоит на берегу пруда с бетонными стенами на краю панамского тропического леса. Она натягивает широкий зеленый лист, все еще прикрепленный к ветке, и указывает на блестящую кладку желеобразных яиц. «Эти ребята выводятся», - говорит она.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Змея-попугай обитает на яйцах красноглазых древесных лягушек, которые могут реагировать на ее приближение. (Кристиан Циглер) 
Любимый символ биоразнообразия, красноглазая древесная лягушка, показанная здесь, в Панаме, выработала гибкую стратегию выживания. (Кристиан Циглер) 
Яйца лягушки через день после откладывания. (Кристиан Циглер) 
Яйца через четыре дня после откладки. (Кристиан Циглер) 
Яйца цепляются за лист над водой люка. (Кристиан Циглер) 
Головастики свободного плавания. (Кристиан Циглер) 
Карен Варкентин говорит, что поведенческие решения эмбрионов лягушки могут быть более сложными, чем мы себе представляли. (Ричард Шульц (3)) 
Почему выпуклые красные глаза? Чтобы удивить хищников, чтобы лягушка могла отскочить - ученые называют это «поразительной окраской». (Кристиан Циглер) 
Фотогалерея
Красноглазые древесные лягушки, Agalychnis callidryas, откладывают яйца на листву на краю прудов; когда выводятся головастики, они падают в воду. Как правило, яйцо вылупляется через шесть-семь дней после откладывания. Тем, на кого указывает Варкентин, судя по их размеру и форме, около пяти дней, говорит она. Крошечные тела просвечивают сквозь прозрачную гелевую мембрану. Под микроскопом красные сердца были бы просто видны.
Она наклоняется, чтобы намочить руку в воде пруда. «Они на самом деле не хотят вылупляться, - говорит она, - но они могут». Она вытаскивает лист над водой и осторожно проводит пальцем по яйцам.
Sproing! Вспыхивает крошечный головастик. Он приземляется на полпути вниз, дергается и падает в воду. Другой и другой из его родных братьев следуют. «Я не устаю смотреть на это, - говорит Варкентин.
Одним движением пальца Варкентин продемонстрировал феномен трансформации биологии. После десятилетий мысли о генах как о «чертеже» - закодированные нити ДНК диктуют нашим клеткам, что именно и когда делать, - биологи примиряются с противоречивой реальностью. Жизнь, даже существо, кажущееся простым, как яйцо лягушки, является гибкой. У него есть варианты. Приблизительно через пять дней яйца красноглазых древесных лягушек, развивающиеся точно по графику, могут внезапно пойти другим путем, если они обнаружат вибрации от атакующей змеи: они вылупляются рано и испытывают свою удачу в пруду ниже.
Удивительная отзывчивость яйца воплощает революционную концепцию в биологии, называемую фенотипической пластичностью, то есть гибкостью, проявляемой организмом при переводе его генов в физические особенности и действия. Фенотип - это почти все в организме, кроме его генов (которые ученые называют генотипом). Концепция фенотипической пластичности служит противоядием от упрощенного причинно-следственного мышления о генах; он пытается объяснить, как ген или набор генов может привести к множественным результатам, частично в зависимости от того, что организм встречает в своей среде. Исследование эволюции так долго было сосредоточено на самих генах, что, по словам Варкентина, ученые предположили, что «люди разные, потому что они генетически разные. Но большая часть изменений связана с воздействием окружающей среды ».
Когда комнатное растение делает бледные листья на солнце, а водяная блоха выращивает шипы для защиты от голодной рыбы, они демонстрируют фенотипическую пластичность. В зависимости от окружающей среды - будь то змеи, ураганы или нехватка продовольствия - организмы могут вызывать различные фенотипы. Природа или воспитание? Ну, оба.
Реализация имеет большое значение для того, как ученые думают об эволюции. Фенотипическая пластичность предлагает решение решающей загадки о том, как организмы преднамеренно или нет приспосабливаются к экологическим проблемам. И нет более удивительного примера врожденной гибкости, чем эти яйца лягушек - слепые массы слизи, генетически запрограммированные на развитие и вывод, как по маслу. Или так казалось.
Птенцы красноглазых древесных лягушек уклонялись от голодных змей задолго до того, как Варкентин начал изучать это явление 20 лет назад. «Люди не думали, что яйца имеют возможность проявить такую пластичность», - говорит Майк Райан, ее доктор философии в Техасском университете в Остине. «Когда она работала над докторской диссертацией, было очень ясно, что это очень, очень богатая область, которую она сама как-то изобрела».
Карен Мартин, биолог из Университета Пеппердин, также изучает пластичность штриховки. «Отрождение в ответ на какую-то угрозу было очень важным пониманием», - говорит Мартин. «Я думаю, что она была первой, кто получил действительно хороший пример этого». Она высоко оценивает постоянные усилия Варкентина по извлечению больших уроков биологии из яиц лягушки: «Я думаю, что многие люди могли бы взглянуть на эту систему и сказать:« Вот какая-то странная вещь, из которой я мог бы достать некоторые бумаги, и теперь я перейду и посмотрю на какое-то другое животное. Она посвятила себя пониманию этой системы ».
Исследование Варкентина «заставляет нас задуматься о том, как организмы реагируют на вызовы даже в самом раннем возрасте», - говорит Элдредж Бермингем, биолог-эволюционист и директор Смитсоновского института тропических исследований (STRI, произносится как «str-eye») в Гамбоа, Панама. Warkentin, профессор биологии в Бостонском университете, проводит свои полевые исследования в STRI. Вот где она показала мне, как она уговаривает яйца вылупиться.
Головастики, прыгающие с мокрого листа, все еще имеют немного желтка на животе; им, вероятно, не нужно будет есть еще полтора дня. Warkentin продолжает тереть до тех пор, пока остаются только несколько, упрямо прячась в своих яйцах. «Продолжай», - говорит она им. «Я не хочу оставлять тебя здесь одного».
Последний из головастиков приземляется в воде. Хищные жуки, известные как бэквиммеры, ждут на поверхности, но Варкентин говорит, что она спасла головастиков от худшей участи. Их мать пропустила след, положив их на лист, который не доходил до пруда. «Если бы они вылуплялись на земле, - говорит она, - тогда они были бы просто муравьиной пищей».
***
Варкентин родилась в Онтарио, и ее семья переехала в Кению, когда ей было 6 лет. Ее отец работал в Канадском агентстве международного развития, чтобы готовить учителей в новой независимой стране. Именно тогда она увлеклась тропической биологией, играла с хамелеонами и наблюдала за жирафами, зебрами и газелями по дороге в школу в Найроби. Ее семья вернулась в Канаду несколько лет спустя, но в 20 лет она отправилась путешествовать автостопом и путешествовать по Африке. «Это было то, что казалось вполне разумным в моей семье», - говорит она.
Перед тем, как начать свою докторскую диссертацию, она отправилась в Коста-Рику, чтобы узнать больше о тропиках и найти тему для исследования. Наземные яйца красноглазой древесной лягушки заинтересовали ее. Она снова и снова посещала один и тот же пруд и наблюдала.
«У меня был опыт, который, я уверен, другие тропические герпетологи имели и раньше, и, может быть, об этом даже не думали, - если у вас есть сцепление на поздней стадии, если вы натолкнетесь на них, они вылупятся», - говорит Варкентин., «Я наткнулся на сцепление, и они все выручили».
Она также видела змей на пруду. «Я подумала:« Ух ты, мне интересно, что произойдет, если змея столкнется с ними », - говорит она и смеется. «Как, с его ртом?» Действительно, она обнаружила, что если змея появляется и начинает атаковать кладку, яйца вылупляются рано. Эмбрионы внутри яиц могут даже определить разницу между змеей и другими вибрациями на листе. «Это то, что нужно выходить в поле и наблюдать за животными», - говорит она. «Они скажут вам то, чего вы не ожидали иногда».
Биологи привыкли думать, что такая гибкость мешает изучению эволюции, говорит Анураг Агравал, эколог-эволюционист из Корнелльского университета. Больше никогда. Удивительно, что Варкентин задокументировал удивительные новости о харизматической лягушке, но Агравал говорит, что в этом есть намного больше. «Я думаю, что она получает кредит за то, что она вышла за рамки« чудак »и задала некоторые концептуальные вопросы в области экологии и эволюции».
Каковы преимущества одной тактики выживания над другой? Даже 5-дневная лягушка должна сбалансировать выгоду от того, чтобы избежать голодной змеи, с затратами на раннее вылупление. И, фактически, Варкентин и ее коллеги задокументировали, что головастики раннего вылупления с меньшей вероятностью доживают до взрослой жизни, чем их поздние выросты, особенно в присутствии голодных нимф стрекоз.
Пластичность не только позволяет лягушкам справляться с проблемами в данный момент; это может даже выиграть время для эволюции. Warkentin обнаружил, что головастики также вылупляются рано, если они рискуют высохнуть. Если тропический лес постепенно станет более сухим, такое раннее вылупление может стать стандартным после бесчисленных поколений, и лягушка может потерять свою пластичность и превратиться в новый быстро вылупившийся вид.
Одной из основ эволюционного мышления является то, что случайные генетические мутации в ДНК организма являются ключом к адаптации к проблеме: случайно последовательность гена меняется, появляется новая черта, организм передает свою измененную ДНК следующей поколение и порождает в конечном итоге к другому виду. Соответственно, десятки миллионов лет назад некоторые наземные млекопитающие приобрели мутации, которые позволяют ему адаптироваться к жизни в океане, а его потомками являются киты, которых мы знаем и любим. Но пластичность предлагает другую возможность: сам ген не должен мутировать, чтобы появилась новая черта. Вместо этого, что-то в окружающей среде может подтолкнуть организм к изменениям, используя изменения, которые уже есть в его генах.
Чтобы быть уверенным, что теория пластичности действительно может привести к появлению новых признаков, является спорным. Ее главный сторонник - Мэри Джейн Вест-Эберхард, новаторский теоретический биолог в Коста-Рике, связанный с STRI, и автор влиятельной книги 2003 года « Развивающая пластичность и эволюция» . «20-й век был назван веком гена», - говорит Вест-Эберхард. «21-й век обещает стать веком окружающей среды». Она говорит, что мышление, ориентированное на мутации, является «эволюционной теорией отрицания». Дарвин, который даже не знал о существовании генов, правильно понял, говорит она: он оставил открытым вероятность того, что новые черты могут возникнуть из-за влияния окружающей среды.
Вест-Эберхард говорит, что группа Варкентина «продемонстрировала удивительную способность крошечных эмбрионов принимать адаптивные решения, основанные на исключительной чувствительности к окружающей среде». Такие вариации, по словам Вест-Эберхарда, «могут привести к эволюционной диверсификации между популяциями».
Хотя не все согласны с теорией Уэст-Эберхарда о том, как пластичность может привести к новизне, многие ученые теперь думают, что фенотипическая пластичность возникнет, когда организмы будут жить в изменяющейся среде. Пластичность может дать растениям и животным время для адаптации, когда они попадают в совершенно новую среду, например, когда семена уносятся на остров. Семя, которое не так требовательно к своим требованиям к температуре и освещению, могло бы быть лучше в новом месте - и, возможно, не должно ждать появления адаптивной мутации.
Кроме того, многие ученые считают, что пластичность может помочь организмам опробовать новые фенотипы, не будучи полностью преданными им. Ранняя штриховка, например. Различные виды лягушек сильно различаются по степени их развития при выводе. У некоторых есть пухлый хвост, и он едва может плавать; другие - полностью сформированные, четвероногие животные. «Как вы получаете такие развитые вариации?» - спрашивает Варкентин. «Играет ли пластичность в штриховке время? Мы не знаем, но это вполне возможно.
***
Город Гамбоа был построен между 1934 и 1943 годами компанией Панамского канала, правительственной корпорацией США, которая контролировала канал до 1979 года, когда он был передан Панаме. Гамбоа, на краю тропического леса, является частью города-призрака, частью спальни сообщества для Панама-Сити и частично научным летним лагерем. Довольно много жителей - ученые и сотрудники STRI.
Когда я посетил, в команде Варкентина было около десятка человек, в том числе несколько студентов, которых она называет «дети». Однажды утром отряд энергично выглядящих молодых людей в резиновых сапогах по колено, рюкзаках и шляпах покидает лабораторию Варкентина и шагает по ней. через поле позади школы, мимо теннисных кортов.
Джеймс Вонеш, профессор Университета Содружества Вирджинии, который работал в докторантуре с Варкентином и до сих пор сотрудничает с ней, указывает на его любимый знак в городе, пережиток эпохи Канальной зоны: «Нет шеек». Он нарисован на лицевой стороне трибуны у старого бассейна, который сейчас является частью спортивного клуба местных пожарных. Затем он объясняет одному из детей, что значит «шея».
Они идут по дороге в питомник для местных растений, пересекают канаву на пешеходном мосту и достигают Экспериментального пруда. Он был построен из бетона в соответствии со спецификациями, предоставленными Warkentin и Stan Rand, уважаемым исследователем лягушек в STRI, который умер в 2005 году.
На противоположной стороне пруда находится исследовательская зона группы, ограниченная канавой с одной стороны и ручьем, а затем тропическим лесом с другой. Есть металлический сарай с открытыми сторонами, окруженный десятками 100-галлонных резервуаров для скота, используемых в экспериментах. Они похожи на ведра, предназначенные для ловли множества чрезвычайно больших утечек. Вонеш говорит о сантехнической системе с большим энтузиазмом, чем кажется возможным. «Мы можем наполнить резервуар для скота за три или четыре минуты!» - восклицает он.
Все это быстрое наполнение означает, что исследователи могут проводить быстрые эксперименты, о которых другие водные экологи могут только мечтать. Сегодня они разбирают эксперимент с хищниками. Четыре дня назад 47 головастиков были помещены в каждый из 25 резервуаров вместе с одним Белостоматидом, своего рода водяным жуком, который поедает головастиков. Сегодня они подсчитают головастиков, чтобы узнать, сколько Белостоматид съели.
Мимо пролетает гигантская голубая бабочка морфо, переливающиеся крылья которой поражают электрическим синим на фоне пышного зеленого леса. «Они приходят в одно и то же время в одно и то же время суток», - говорит Варкентин.
«Клянусь, я вижу это каждое утро», - говорит Вонеш.
«Это 9:15 морфо», - говорит Варкентин.
Warkentin объясняет эксперимент, который они заканчивают сегодня. «Мы знаем, что хищники убивают добычу, очевидно, и они также пугают добычу», - говорит она. Когда новые вылупившиеся головастики попадают в пруд, водяные жуки являются одной из угроз, с которыми они сталкиваются. Пластичность головастиков может помочь им не быть съеденными - если они могут обнаружить ошибки и как-то реагировать.
Экологи разработали математические уравнения, описывающие, сколько добычи хищник должен есть, а элегантные графики показывают, как популяции растут и падают, когда один ест другого. Но что на самом деле происходит в природе? Размер имеет значение? Сколько однодневных головастиков ест взрослый клоп? Сколько пожилых, толстых головастиков? «Очевидно, мы думаем, что мелочи легче поймать, съесть и сунуть себе в рот», - говорит Вонеш. «Но мы действительно не включили это даже в такие базовые модели».
Чтобы выяснить, сколько головастиков было съедено, студенты, аспиранты, профессора и аспиранты должны вытащить каждого последнего головастика из каждого резервуара для подсчета. Вонеш поднимает с земли прозрачную пластиковую чашку для питья. Внутри водяной жук, который пировал на головастиков. «Он большой парень», - говорит он. Он полезет в резервуар с сеткой, вытаскивая головастиков по одному или два за один раз и помещая их в неглубокую пластиковую ванну.
«Вы готовы?» - спрашивает Рэндалл Хименес, аспирант Национального университета Коста-Рики.
«Я готов», - говорит Вонеш. Вонеш опрокидывает бак, а Хименес держит сеть под струей воды. Ребята следят за сетью за головастиками, которых пропустил Вонеш. «Видишь кого-нибудь?» - спрашивает Вонеш. "Нет", говорит Хименес. Для вытекания воды требуется почти 30 секунд. Большинство исследователей носят высокие резиновые сапоги для защиты от змей, но они полезны, поскольку земля быстро превращается в грязь.
Стая граклей беспечно бродит по траве. «Они любят есть головастиков», - говорит Вонеш. «Они любят тусоваться и притворяться, что ищут дождевых червей, но как только вы отвернетесь, они окажутся в вашей ванне».
Вонеш отвозит свою ванну с головастиками в сарай, где его фотографирует Варкентин. Студент будет считать головастиков на каждой картине. Насекомые и птицы поют с деревьев. Что-то падает - гляди - на металлическую крышу. Грузовой поезд свистит с железнодорожных путей, идущих вдоль канала; группа обезьян-ревунов лает хриплым ответом деревьев.
Для таких ученых, как Варкентин, Гамбоа предлагает немного тропических лесов примерно в часе езды от международного аэропорта. "Боже мой. Это так просто », - говорит она. «Существует опасность не оценить, насколько это удивительно. Это невероятное место для работы ».
В течение дня культовые рыжие лягушки не прыгают. Если вы знаете, что ищете, вы можете обнаружить, что взрослый мужчина иногда цепляется за лист, как бледно-зеленая коробочка для таблеток - ноги сложены, локти заправлены по бокам, чтобы минимизировать потерю воды. Мембрана с узором в виде резного деревянного окна в мечети закрывает каждый глаз.
Реальное действие происходит ночью, поэтому однажды вечером Варкентин, Вонеш и некоторые гости посещают пруд в поисках лягушек. Птицы, насекомые и обезьяны тихие, но щебет амфибий и скрипы наполняют воздух. Зов одной лягушки - это громкий, громкий «тук-тук!», Другой звучит точно так же, как лучевой пистолет в видеоигре. Лес кажется более диким ночью.
Около сарая самец красноглазой древесной лягушки цепляется за стебель широкого листа. Крошечные оранжевые пальцы ног распластаны, он показывает свой белый живот и широкие красные глаза в свете множества фар. «У них такие фотогеничные позы», - говорит Варкентин. «И они просто сидят там и позволяют тебе сфотографироваться. Они не убегают. Некоторые лягушки так нервничают ». Может быть, поэтому красноглазая древесная лягушка прославилась благодаря ее изображению на стольких календарях, я полагаю - их легче фотографировать, чем других лягушек. Она поправляет меня: «Они симпатичнее».
Ученые считают, что предки современных лягушек откладывали яйца в воду. Возможно, сама красноглазая древесная лягушка могла развить свои привычки к укладке листьев в результате фенотипической пластичности. Возможно, предок баловался откладыванием яиц из воды, только в действительно влажные дни, чтобы убежать от водных хищников - пластический способ справиться с опасной средой - и эта черта перешла к его потомкам, которые в конечном итоге потеряли способность откладывать яйца в воду вообще.
Никто не знает, так ли это было. «Это было очень давно и больше не поддается подобным экспериментам», - говорит Варкентин.
Но интригующие эксперименты на лягушках другого типа - тех, которые могли бы все еще перемещаться при переходе между водой и землей - продолжаются. Джастин Touchon, бывший аспирант Warkentin's, изучает, как древесная лягушка песочных часов, Dendropsophus ebraccatus, откладывает яйца, которые менее упакованы желе и более склонны к высыханию, чем древесные лягушки с красными глазами. Кажется, самка древесной лягушки в форме песочных часов выбирает, где откладывать яйца, исходя из сырости. Тачон обнаружил, что в прудах, затененных деревьями, они откладывают яйца на листьях над водой, но в более горячих, более открытых прудах яйца уходят в воду.
В исследовании, опубликованном в прошлом месяце, он обнаружил, что яйца, скорее всего, выживут на суше, если будет много дождей, и с большей вероятностью выживут в воде, если осадков будет мало. Он также посмотрел на отчеты о дожде для Гамбоа за последние 39 лет и обнаружил, что, хотя общее количество осадков не изменилось, картина изменилась: штормы больше, но они более спорадические. Это изменение в окружающей среде может привести к изменению того, как воспроизводятся песочные древесные лягушки. «Это дает представление о том, что послужило причиной размножения движения на суше», - говорит Touchon, - климат, который изменился из-за большого количества устойчивых дождей, мог бы сделать лягушки более безопасными для откладывания яиц из воды.
Группа Варкентина основана на первом этаже начальной школы Гамбоа, которая была закрыта в 1980-х годах. Однажды утром Варкентин сидит на старинном вращающемся стуле с пыльными руками за отставным офисным столом и выполняет то, что похоже на проект ремесленной работы в начальной школе.
На полу слева от нее сидит белое ведро с рядами зеленых прямоугольников, приклеенных к внутренней стороне воздуховода. Она наклоняется и вытаскивает один. Это кусок листа, вырезанный ножницами у одного из широколиственных растений у экспериментального пруда, и на нем кладка желатиновых яиц с красными глазами древесной лягушки. Она отрывает ленту и приклеивает кусок листа на синий пластиковый прямоугольник, вырезанный из пластиковой тарелки для пикника.
«С помощью одноразовой посуды, клейкой ленты и оцинкованной проволоки вы можете получить огромное количество научных знаний», - говорит она.
Она кладет карточку в прозрачную пластиковую чашку с небольшим количеством воды на дне, где головастики упадут при вылуплении, и переходит к следующему куску листа. Головастики будут частью новых экспериментов с хищниками.
В простых моделях есть большая объяснительная ценность, но она хочет понять, как на самом деле действует природа. «Мы пытаемся понять, что реально», - говорит она. «А реальность сложнее».
