背の高いオリーブグリーンのゴム長靴を履いたカレンワルケンティンは、パナマの熱帯雨林の端にあるコンクリートで覆われた池のほとりに立っています。 彼女はまだ枝に付いている広い緑の葉を引っ張り、ゼリーのような卵の光沢のあるクラッチを指摘します。 「これらの男はhatch化可能です」と彼女は言います。
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オウムのヘビは、目の充血したアマガエルの卵を捕まえ、そのアプローチに反応します。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
ここではパナマで示されている生物多様性の最愛の象徴である赤い目のアマガエルは、生存のための柔軟な戦略を進化させました。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
カエルの卵は産まれてから1日後。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
産卵の4日後に卵。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
卵は水hatch化で葉にしがみついています。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
自由に泳ぐオタマジャクシ。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
カレン・ワーケンティンは、カエルの胚の行動決定は想像よりも洗練されているかもしれないと言います。 （リチャード・シュルツ（3）） 
なぜ膨らんだ赤い目ですか？ カエルが飛び去ることができるように捕食者を驚かせるために、科学者はそれを「驚startの着色」と呼びます。 （クリスチャン・ツィーグラー） 
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アカメアマガエル 、 Agalychnis callidryasは、池の端にある葉の上に卵を産みます。 オタマジャクシがhatch化すると、水の中に落ちます。 通常、卵は産卵後6〜7日でhatch化します。 Warkentinが指しているのは、サイズと形状から判断して、約5日前です、と彼女は言います。 透明なゲルで満たされた膜を通して小さな体が見えます。 顕微鏡の下では、赤いハートが見えるだけです。
彼女は手を伸ばして池の水に手を浸します。 「彼らは本当にhatch化したくありません」と彼女は言います、「しかし、彼らはできます。」彼女は水の上に葉を引き出し、優しく卵の上に指を走らせます。
発芽！ 小さなオタマジャクシが発生します。 それは葉の途中まで着地し、けいれんし、水に落ちる。 別の兄弟が続きます。 「見るのに飽き飽きするものではありません」とウォーケンティンは言います。
指を軽くたたくだけで、ウォーケンティンは生物学を変える現象を実証しました。 遺伝子を「青写真」（コード化されたDNA鎖が正確に何をいつ何をするかを細胞に指示する）と考える数十年後、生物学者は混乱する現実に近づいています。 カエルの卵のように単純に見える実体でさえ、生命は柔軟です。 オプションがあります。 5日かそこらで、攻撃的なヘビからの振動を検出すると、予定通りに発達している赤い目をしたアマガエルの卵が突然別の経路をたどることができます。彼らは早くearly化し、下の池で運を試します。
卵の驚くべき反応性は、表現型可塑性と呼ばれる生物学の革命的な概念の典型です。これは、生物が遺伝子を物理的特徴と行動に翻訳する際に示す柔軟性です。 表現型は、遺伝子（科学者は遺伝子型と呼んでいます）以外の生物に関するほとんどすべてのものです。 表現型の可塑性の概念は、遺伝子に関する単純な原因と結果の考え方に対する解毒剤として機能します。 それは、生物がその環境で遭遇するものに部分的に依存して、遺伝子または遺伝子のセットがどのように複数の結果を引き起こすことができるかを説明しようとします。 進化の研究は長い間遺伝子そのものに集中してきたため、科学者は「個体は遺伝的に異なるため、個体は異なる」と想定しているとウォーケンティンは言う。 しかし、そこに存在する多くの変動は、環境の影響によるものです。」
観葉植物が太陽の下で青白い葉を作り、空腹の魚から保護するためにノミが棘を成長させると、それらは表現型の可塑性を示しています。 環境によって、ヘビ、ハリケーン、または食料不足に対処するかどうかに応じて、生物はさまざまな表現型を引き出すことができます。 自然や育成？ まあ、両方。
この実現は、科学者が進化についてどのように考えるかに大きな意味を持ちます。 表現型の可塑性は、生物が意図的かどうかにかかわらず、環境の課題にどのように適応するかという重要なパズルの解決策を提供します。 そして、これらのカエルの卵ほど生まれつきの柔軟性の驚くべき例はありません。時計仕掛けのように発達し、and化するように遺伝的にプログラムされた盲目の塊。 またはそうだった。
アカメアマガエルのhatch化は、20年前にワーケンティンがこの現象の研究を開始するずっと前から、空腹のヘビを避けていました。 「卵は、この種の可塑性を示す可能性があるとは考えていませんでした」と、テキサス大学オースティン校の博士課程顧問のマイク・ライアンは言います。 「彼女は博士論文を書いていたので、これは非常に豊かな分野であり、彼女が自分で発明したものであることが非常に明確でした。」
ペパーダイン大学の生物学者であるカレン・マーティンも、hatch化可塑性を研究しています。 「ある種の脅威への対応におけるH化は非常に重要な洞察でした」とマーティンは言います。 「私は彼女がその良い例の最初の人だと思います。」彼女はカエルの卵から大きな生物学の教訓を学ぶためのワルケンティンの持続的な努力を賞賛します：「多くの人がこのシステムを見て、私はいくつかの論文を出すことができた一種の風変わりなものであり、今度は他の動物を見ていきましょう。」 彼女はこのシステムを理解することに専念しました。」
Warkentinの研究は、「生物が人生のごく初期の課題にどのように反応するかについて、より慎重に考えるようにさせます」と、進化生物学者でガンボアのスミソニアン熱帯研究所（STRI、「str-eye」と発音）のディレクターであるEldredge Berminghamは言います。パナマ。 ボストン大学の生物学教授であるウォーケンティンは、STRIでフィールド研究を行っています。 それは彼女が卵をto化させる方法を示した場所です。
濡れた葉から飛び跳ねるオタマジャクシは、腹にまだ黄身が残っています。 彼らはおそらくもう1日半食べる必要はないでしょう。 ワルケンティンは、ほんの数個が残るまでこすり続け、頑固に卵の中に隠れます。 「続けてください」と彼女は言います。 「自分で一人でここから離れたくありません。」
最後のオタマジャクシは水に落ちます。 バックスイマーとして知られる略奪的なバグは表面で待機しますが、ウォーケンティンは彼女がオタマジャクシをより悪い運命から救ったと言います。 母親はマークを逃し、池の上に届かなかった葉の上に置いた。 「彼らが地面でhatch化していた場合、彼女は言います。
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Warkentinはオンタリオ州で生まれ、6歳のときに家族がケニアに移りました。彼女の父親は、カナダ国際開発庁と協力して、新しく独立した国で教師を訓練しました。 その時、彼女は熱帯生物に興味を持ち、カメレオンで遊んで、ナイロビの学校へのドライブでキリン、シマウマ、ガゼルを観察しました。 彼女の家族は数年後にカナダに戻りましたが、20歳でアフリカ全土でヒッチハイクとバックパッキングを行いました。 「それは私の家族にとって完全に合理的だと思われたものでした」と彼女は言います。
彼女は博士号を取得する前に、コスタリカに行き、熱帯についてもっと学び、研究トピックを探しました。 赤い目をしたアマガエルの地上の卵は彼女の興味を引きました。 彼女は同じ池を何度も訪れ、見ました。
「他の熱帯の爬虫類学者が経験したことはあると思いますが、おそらく考えなかった経験がありました。後期のクラッチを持っている場合、それらにぶつかると、彼らはあなたにhatch化します」と、ウォーケンティンは言います。 「私はクラッチにぶつかりました、そして、彼ら全員は救い出しました。」
彼女は池でヘビも見ました。 「私が思ったのは、すごい、ヘビがぶつかったらどうなるのだろう」と彼女は言い、笑います。 「口のように？」実際、彼女はヘビが現れてクラッチを攻撃し始めると、卵が早くhatch化することを発見しました。 卵の中の胚は、ヘビと葉の他の振動との違いさえ知ることができます。 「これは、野外に出て動物を観察することです」と彼女は言います。 「彼らはあなたが時々期待していなかったことを教えてくれます。」
コーネル大学の進化生態学者であるAnurag Agrawalは、生物学者はこの種の柔軟性が進化の研究の邪魔になると考えていました。 もはや。 カリスマ性のカエルについてWarkentinが素晴らしい新しいことを文書化したことはエキサイティングですが、アグラワルはそれにもっと多くがあると言います。 「彼女は「ギー・ウィズ」を超えて、エコロジーと進化における概念的な質問のいくつかを尋ねたことで信用を得ていると思います。」
あるサバイバル戦術が他の戦術よりも優れている点は何ですか？ 5日齢のカエルでさえ、空腹のヘビを避ける利点と早めのhatch化のコストのバランスを取る必要があります。 実際、ワーケンティンと彼女の同僚は、early化したオタマジャクシは、特に空腹のトンボの幼虫の存在下で、hat化後期のオタマジャクシよりも大人になるまで生き残る可能性が低いことを文書化しています。
可塑性は、カエルが現時点での課題に対処できるようにするだけではありません。 進化するための時間を費やすことさえあります。 ワルケンチンは、オタマジャクシが乾燥する危険がある場合、早期にhatch化することも発見しました。 熱帯雨林が次第に乾燥した場合、そのような初期のsuch化は無数の世代の後に標準になるかもしれず、カエルはその可塑性を失い、新しい、速いhat化種に進化するかもしれません。
進化論的思考の主力の1つは、生物のDNAのランダムな遺伝子変異が課題に適応するための鍵であるということです：偶然、遺伝子の配列が変化し、新しい特性が出現し、生物はその変更されたDNAを次の世代に渡します生成し、最終的に異なる種を発生させます。 したがって、数千万年前、陸上哺乳類の中には、海洋生物に順応させる突然変異を獲得したものもあり、その子孫は私たちが知っていて愛しているクジラです。 しかし、可塑性には別の可能性があります。新しい形質が表面化するために、遺伝子自体が変異する必要はありません。 代わりに、環境内の何かが、その遺伝子にすでにある変動を利用して、生物に変化を起こさせることができます。
確かに、可塑性が実際に新しい特性を引き起こす可能性があるという理論は議論の余地があります。 その主な提案者は、STRIに所属するコスタリカの先駆的な理論生物学者であり、2003年に影響力のある著書Developmental Plasticity and Evolutionの著者であるMary Jane West-Eberhardです。 「20世紀は遺伝子の世紀と呼ばれています」とWest-Eberhard氏は言います。 「21世紀は環境の世紀になると約束されています。」彼女は、突然変異中心の思考は「否定の進化論」だと言います。環境の影響により新しい特性が生じる可能性。
West-Eberhard氏によると、Warkentinのグループは、「小さな胚が環境に対する絶妙な感度に基づいて適応決定を行うという驚くべき能力を実証した」と述べています。そのような種類の変動は、「集団間の進化的多様化につながる可能性があります」と述べています。
可塑性がどのように新規性をもたらすかについてのウェスト・エバーハルトの理論に誰もが同意するわけではありませんが、多くの科学者は現在、生物が変化する環境に住んでいるときに表現型の可塑性が現れると考えています。 可塑性により、植物や動物が完全に新しい環境に捨てられたとき、たとえば種が島に吹き付けられたときなどに調整する時間が与えられます。 温度と光の要件についてそれほど選り好みしない種は、新しい場所でより良くなるかもしれません-そして、適応突然変異がやってくるのを待つ必要がないかもしれません。
また、多くの科学者は、可塑性が有機体が完全にそれらにコミットすることなく新しい表現型を試すのを助けるかもしれないと思います。 早期hatch化など。 カエルの異なる種は、hatch化する際の成長の仕方が大きく異なります。 いくつかはでこぼこした尾を持ち、かろうじて泳ぐことができます。 他は完全に形成された四肢の動物です。 「そのような進化したバリエーションをどのように手に入れますか？」とウォーケンティンは尋ねます。 「hatch化時の可塑性はその役割を果たしていますか？ わかりませんが、それはかなり可能です。」
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ガンボアの町は、1934年から1943年の間に、パナマ運河会社によって建設されました。パナマ運河会社は、運河を1979年にパナマに引き継ぐまで運河を管理していました。 熱帯雨林の端にあるガンボアは、ゴーストタウン、パナマシティのベッドルームコミュニティ、科学サマーキャンプの一部です。 かなりの数の住民が科学者であり、STRIのスタッフです。
私が訪問したとき、Warkentinのチームには、彼女が「子供」と呼ぶ学部生を含む最大12人がいました。ある朝、膝丈のゴム製のブーツ、バックパック、帽子を着た元気な若者の集団がWarkentinの研究室を出て歩きます学校の後ろのフィールドを横切り、テニスコートを通過します。
バージニア・コモンウェルス大学の教授であり、ウォーケンティンとポスドクのフェローシップを続け、現在も彼女と協力しているジェームズ・ヴォーネッシュは、運河地帯時代からの持ち越しである町でのお気に入りのサインを指摘しています：「ネッキングなし」現在は地元の消防士のスポーツクラブの一部である古いスイミングプールのスタンド。 それから彼は子供の一人に「ネッキング」の意味を説明します。
彼らは土着の植物を育てる苗床への道を歩き、歩道橋の溝を渡って実験池に到着します。 2005年に亡くなったSTRIの尊敬されるカエルの研究者であるWarkentinとStan Randによって提供された仕様に合わせてコンクリートで作られました。
池の向こう側には、グループの研究エリアがあり、一方の側には溝があり、もう一方の側には小川、次に熱帯雨林があります。 実験に使用された数十ガロンの牛タンクに囲まれた、側面が開いた金属屋根の小屋があります。 それらは、非常に大きなリークの配列をキャッチするために設定されたバケットのように見えます。 Voneshは、配管システムについて、考えられる以上の熱意をもって語っています。 「3、4分で牛のタンクを満たせます！」と彼は叫ぶ。
すべての速い充填は、研究者が他の水生生態学者が夢見ることができる迅速な実験を行うことができることを意味します。 今日、彼らは捕食の実験を解体しています。 4日前、25のタンクそれぞれに47のオタマジャクシが、オタマジャクシを食べる一種のカメムシであるBelostomatidと一緒に置かれました。 今日、彼らはオタマジャクシを数えて、ベロストマティッドが何匹食べたかを調べます。
巨大な青いモルフォ蝶が飛び交い、その虹色の翼は緑豊かな森に衝撃的なエレクトリックブルーの飛沫を放ちます。 「彼らは、同じ時間に同じ場所に来ます」とウォーケンティンは言います。
「私は毎朝それを見ると誓います」とVoneshは言います。
「それは9:15の形態です」とWarkentin氏は言います。
Warkentinは、今日終了する実験について説明しています。 「我々は、捕食者が獲物を殺すことを知っています。明らかに彼らは獲物を怖がらせます」と彼女は言います。 新しくhat化したオタマジャクシが池に落ちたとき、水虫が直面する脅威の1つです。 オタマジャクシの可塑性は、彼らがバグを検出し、どういうわけか応答できる場合、彼らが食べられるのを避けるのを助けるかもしれません。
生態学者は、捕食者がどれだけの獲物を食べることができるかを説明する数学の方程式を開発しました。また、エレガントなグラフは、一方が他方を食べるときの個体数の増減を示しています。 しかし、実際に何が起こるのでしょうか？ サイズは重要ですか？ 1日齢のオタマジャクシは、完全に成長した水生昆虫を何匹食べますか？ 太ったオタマジャクシは何匹いますか？ 「明らかに、小さなものはキャッチして食べやすく、口にくっつきやすいと思います」とVonesh氏は言います。 「しかし、私たちはそれをこれらの種類の基本モデルにさえ組み込んでいません。」
オタマジャクシが何匹食べられたかを把握するために、学部生、大学院生、教授、ポスドク研究員は、各戦車から最後のオタマジャクシをすべて数えてもらう必要があります。 Voneshは、足から地面から透明なプラスチック製のドリンクカップを手に取ります。 中にはオタマジャクシを食べていた水のバグがあります。 「彼は大きな男です」と彼は言います。 彼はネットでタンクに手を伸ばし、オタマジャクシを一度に1つか2つ引き抜き、浅いプラスチックの浴槽に入れました。
「準備はいい？」コスタリカ国立大学の大学院生であるランドール・ヒメネスは尋ねる。
「準備ができました」とVoneshは言います。 ヒメネスが噴出する水の下でネットを保持しているので、ボネシュはタンクを傾けます。 男たちは、Voneshが見逃したオタマジャクシのネットを監視します。 「誰かに会えますか？」ボネシュは尋ねます。 「いや」とヒメネスは言う。 水が流出するまで約30秒かかります。 ほとんどの研究者は、蛇から身を守るために背の高いゴム製のブーツを着用していますが、地面が急速に泥に変わるので便利です。
グラックルの群れは草の中をさりげなくさまよう。 「オタマジャクシを食べるのが好きです」とVoneshは言います。 「彼らはたむろしてミミズを探しているふりをするのが好きですが、あなたが背を向けるとすぐに彼らはあなたの浴槽にいます。」
Voneshはオタマジャクシの浴槽をWarkentinが撮影する小屋に連れて行きます。 生徒は各写真のオタマジャクシを数えます。 木から昆虫や鳥が歌います。 何かが金属の屋根に落ちます—瞬きします。 運河に沿って走る線路から貨物列車が口lesを吹く。 ホエザルのグループは、木々からの騒々しい反応をksえます。
ウォーケンティンのような科学者にとって、ガンボアは国際空港から車で約1時間の熱帯雨林を提供しています。 "何てことだ。 とても簡単です」と彼女は言います。 「それがどれほど素晴らしいかを評価しない危険があります。 働くには信じられないほどの場所です。」
日中、象徴的な赤い目をしたカエルは飛び跳ねていません。 探しているものがわかっていれば、時折大人の男性が淡い緑のピルボックスのような葉にしがみついているのを見つけることができます。足を折り畳み、肘を脇に押し込んで水の損失を最小限に抑えます。 モスクの彫刻が施された木製の窓スクリーンのようにパターン化された膜が各目を覆っています。
実際の行動は夜なので、ある夜、ワルケンティン、ボネシュ、そして何人かのゲストが池を訪れてカエルを探します。 鳥、昆虫、猿は静かですが、両生類の鳴き声やきしみが空気を満たします。 あるカエルの呼びかけは、はっきりとした大きな「ノックノック！」です。別のカエルは、ビデオゲームの光線銃のように聞こえます。 夜は森がよりワイルドに感じられます。
小屋の近くで、オスの赤い目をしたアマガエルが広い葉の茎にしがみついています。 小さなオレンジ色のつま先が広がり、彼は複数のヘッドランプの光の中で白い腹と広い赤い目を見せています。 「彼らはこれらのフォトジェニックな姿勢を持っています」とウォーケンティンは言います。 「そして彼らはただそこに座って写真を撮らせてくれます。 彼らは逃げません。 たぶん、とても緊張しているカエルもいます。たぶん、それは非常に多くのカレンダーの写真で、赤い目のアマガエルが有名になった理由です、彼らは他のカエルよりも写真を撮るのが簡単です。 彼女は私を修正します：「彼らはかわいい」。
科学者は、現代のカエルの祖先はすべて水に卵を産んだと考えています。 たぶん、アカメアマガエル自体は、表現型の可塑性の結果として、葉を置く習慣を進化させたかもしれません。 恐らく先祖が水から捕食者を避けるために水から卵を産み出しました。危険な環境に対処するためのプラスチックの方法であり、その特性は子孫に引き継がれました。全く水に卵を産む能力。
それがどのように起こったかは誰にもわかりません。 「それはかなり前のことであり、そのような種類の実験にはもはや受け入れられません」と、Warkentin氏は言います。
しかし、別の種類のカエル（水と陸地の間の移行をまだナビゲートしているかもしれないカエル）の興味深い実験が進行中です。 ウォーケンティン大学の元博士課程の学生であるジャスティン・タッチンは、砂時計のアマガエル、 Dendropsophus ebraccatusがどのように卵を産むかを研究します。卵はゼリーがあまり詰まっておらず、 アカメアマガエルよりも乾燥しやすいのです」 女性の砂時計のアマガエルは、湿気に基づいて卵を産む場所を選択するようです。 Touchon氏は、木陰のある池では、水の上の葉に卵を産むが、より高温で露出した池では、卵が水の中に入る。
先月発表された研究で、彼は、雨が多い場合、卵は陸上で生存する可能性が高く、降雨量が少ない場合、卵は水中で生存する可能性が高いことを発見しました。 また、過去39年間のガンボアの雨の記録を調べたところ、全体的な降雨量は変化していませんが、パターンは次のようになっていることがわかりました。 この環境の変化は、砂時計のアマガエルの繁殖方法の変化を促進している可能性があります。 「陸上での繁殖運動を引き起こした原因についての窓を与えてくれます」とTouchon氏は言います。気候が変化して安定した雨が降り、カエルが水から卵を産み出すことがより安全になったかもしれません。
Warkentinのグループは、1980年代に閉鎖されたガンボア小学校の1階に基づいています。 ある朝、Warkentinは退職したオフィスデスクで埃っぽい腕のある古代の回転椅子に座って、小学校の工芸プロジェクトのように見えます。
彼女の左の床には白いバケツがあり、緑の長方形の列が内側にダクトテープで留められています。 彼女は手を伸ばして引き抜きます。 それは実験用の池で広葉植物の1つからハサミで切った葉の断片であり、その上にはゼラチン状の赤い目のアマガエルの卵のクラッチがあります。 彼女はテープを剥ぎ取り、葉をプラスチックのピクニックプレートから切り取った青いプラスチックの長方形に貼り付けます。
「使い捨て食器、ダクトテープ、亜鉛メッキ線で驚くほどの科学を行うことができます」と彼女は言います。
彼女はカードを透明なプラスチック製のコップに入れ、底に水を少し入れて、オタマジャクシがhatch化すると落下し、次の葉に進みます。 オタマジャクシは新しい捕食実験の一部になります。
単純なモデルには大きな説明価値がありますが、彼女は自然が実際にどのように機能するかを理解したいと考えています。 「私たちは本物と取り組もうとしています」と彼女は言います。 「そして現実はもっと複雑です。」
