Karen Warkentin, usando botas altas de borracha verde-oliva, fica na margem de um lago de concreto na beira da floresta tropical panamenha. Ela puxa uma folha verde larga ainda presa a um galho e aponta uma embreagem brilhante de ovos gelatinosos. "Esses caras são dachás", diz ela.
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Uma cobra papagaio repousa em ovos de rã de olhos vermelhos, que podem responder à sua abordagem. (Christian Ziegler) 
Um símbolo amado da biodiversidade, a perereca de olhos vermelhos, mostrada aqui no Panamá, desenvolveu uma estratégia flexível para a sobrevivência. (Christian Ziegler) 
Frog ovos um dia depois de ser colocado. (Christian Ziegler) 
Ovos quatro dias depois de serem colocados. (Christian Ziegler) 
Ovos agarrados a uma folha sobre a escotilha de água. (Christian Ziegler) 
Girinos de natação livre. (Christian Ziegler) 
Karen Warkentin diz que as decisões comportamentais dos embriões de rã podem ser mais sofisticadas do que imaginávamos. (Richard Schultz (3)) 
Por que os olhos vermelhos esbugalhados? Surpreender os predadores para que o sapo possa pular fora - os cientistas chamam de "coloração assustadora". (Christian Ziegler) 
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As rãs de olhos vermelhos, Agalychnis callidryas, depositam seus ovos na folhagem à beira das lagoas; quando os girinos nascem, caem na água. Normalmente, um ovo eclode seis a sete dias depois de ser colocado. Os que Warkentin está apontando, a julgar pelo seu tamanho e forma, têm cerca de cinco dias, diz ela. Pequenos corpos aparecem através da membrana transparente cheia de gel. Sob um microscópio, os corações vermelhos seriam apenas visíveis.
Ela se abaixa para molhar a mão na água da lagoa. "Eles não querem realmente chocar", diz ela, "mas eles podem." Ela puxa a folha sobre a água e passa suavemente um dedo sobre os ovos.
Sproing! Um pequeno girino irrompe. Ela cai parcialmente na folha, contorce-se e cai na água. Outro e outro de seus irmãos seguem. "Não é algo que eu me canso de assistir", diz Warkentin.
Com apenas um movimento do dedo, Warkentin demonstrou um fenômeno que está transformando a biologia. Depois de décadas pensando nos genes como um “plano” - os filamentos de DNA codificados ditam às nossas células exatamente o que fazer e quando fazer - os biólogos estão se acostumando com uma realidade confusa. A vida, mesmo uma entidade aparentemente simples como um ovo de sapo, é flexível. Tem opções. Ao fim de cinco dias, os ovos de rã de olhos vermelhos, que se desenvolvem imediatamente, podem de repente seguir um caminho diferente se detectarem vibrações de uma cobra atacante: eclodem cedo e tentam a sorte no lago abaixo.
A responsividade surpreendente do ovo simboliza um conceito revolucionário em biologia chamado plasticidade fenotípica, que é a flexibilidade que um organismo demonstra ao traduzir seus genes em características e ações físicas. O fenótipo é praticamente tudo sobre um organismo diferente de seus genes (que os cientistas chamam de genótipo). O conceito de plasticidade fenotípica serve como um antídoto para o pensamento simplista de causa e efeito sobre os genes; Ele tenta explicar como um gene ou conjunto de genes pode dar origem a múltiplos resultados, dependendo em parte do que o organismo encontra em seu ambiente. O estudo da evolução há tanto tempo centra-se nos próprios genes que, segundo Warkentin, os cientistas assumiram que “os indivíduos são diferentes porque são geneticamente diferentes. Mas grande parte da variação vem de efeitos ambientais ”.
Quando uma planta de casa faz folhas mais pálidas ao sol e uma pulga de água cresce espinhos para proteger contra peixes famintos, eles estão mostrando plasticidade fenotípica. Dependendo do ambiente - se há cobras, furacões ou escassez de alimentos - os organismos podem gerar diferentes fenótipos. Natureza ou nutrir? Bem, ambos.
A realização tem grandes implicações para a maneira como os cientistas pensam sobre a evolução. A plasticidade fenotípica oferece uma solução para o enigma crucial de como os organismos se adaptam aos desafios ambientais, intencionalmente ou não. E não há exemplo mais surpreendente de flexibilidade inata do que esses ovos de sapo - massas cegas de goo geneticamente programadas para se desenvolverem e eclodirem como um relógio. Ou então parecia.
Filhotes de rã de olhos vermelhos estavam se esquivando de cobras famintas muito antes de Warkentin começar a estudar o fenômeno há 20 anos. “As pessoas não pensavam que os óvulos tivessem a possibilidade de mostrar esse tipo de plasticidade”, diz Mike Ryan, seu orientador de PhD na Universidade do Texas, em Austin. "Foi muito claro, como ela estava fazendo sua tese de doutorado, que este era um campo muito, muito rico que ela inventou por conta própria."
Karen Martin, bióloga da Universidade Pepperdine, também estuda a plasticidade da eclosão. "Chocar em resposta a algum tipo de ameaça tem sido uma visão muito importante", diz Martin. "Eu acho que ela foi a primeira a ter um bom exemplo disso." Ela elogia o esforço sustentado de Warkentin para aprender grandes lições de biologia de ovos de sapo: "Eu acho que muitas pessoas poderiam ter olhado para este sistema e dito, 'Aqui está um tipo de coisa peculiar que eu poderia tirar alguns papéis, e agora vou seguir em frente e olhar para algum outro animal. Ela se dedicou a entender esse sistema ”.
A pesquisa de Warkentin "nos leva a pensar com mais cuidado sobre como os organismos respondem aos desafios, mesmo no começo da vida", diz Eldredge Bermingham, biólogo evolucionista e diretor do Instituto de Pesquisa Tropical Smithsonian (STRI, pronunciado em Gamboa). Panamá. Warkentin, professora de biologia da Universidade de Boston, realiza seus estudos de campo no STRI. É onde ela me mostrou como ela induz os ovos a eclodirem.
Os girinos saltando da folha molhada ainda têm uma pequena gema na barriga; eles provavelmente não precisarão comer por mais um dia e meio. Warkentin continua esfregando até restarem apenas alguns poucos, teimosamente escondidos dentro de seus ovos. "Vá em frente", diz ela. "Eu não quero deixar você aqui sozinho."
O último dos girinos pousa na água. Bugs predatórios conhecidos como backswimmers esperam na superfície, mas Warkentin diz que salvou os girinos de um destino pior. A mãe deles errou o alvo, colocando-os em uma folha que não alcançava a lagoa. “Se eles estivessem chocando no chão”, ela diz, “então eles seriam apenas comida de formigas”.
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Warkentin nasceu em Ontário e sua família se mudou para o Quênia quando tinha 6 anos. Seu pai trabalhou com a Agência Canadense de Desenvolvimento Internacional para treinar professores no país recém-independente. Foi quando ela se interessou por biologia tropical, brincando com camaleões e observando girafas, zebras e gazelas no caminho para a escola em Nairobi. Sua família retornou ao Canadá vários anos depois, mas aos 20 ela foi viajar de carona e viajar pela África. "Isso era algo que parecia perfeitamente razoável na minha família", diz ela.
Antes de iniciar seu doutorado, ela foi à Costa Rica para aprender mais sobre os trópicos e procurar um tópico de pesquisa. Os ovos terrestres da rã de olhos vermelhos atraíram seu interesse. Ela visitou a mesma lagoa uma e outra vez e observou.
"Eu tive a experiência - que eu tenho certeza que outros herpetologistas tropicais tiveram antes e talvez não tenham pensado sobre - se você tem uma embreagem de estágio tardio, se você topar com eles, eles vão chocar em você", diz Warkentin. . "Eu bati em uma embreagem, e todos eles estavam resgatando."
Ela também tinha visto cobras no lago. "O que eu pensei foi, uau, eu me pergunto o que aconteceria se uma cobra esbarrar neles", diz ela, e ri. "Como, com a boca?" Na verdade, ela descobriu que se uma cobra aparece e começa a atacar a embreagem, os ovos eclodem cedo. Os embriões dentro dos ovos podem até dizer a diferença entre uma cobra e outras vibrações na folha. "Isso é a coisa, de sair no campo e assistir os animais", diz ela. "Eles vão te dizer coisas que você não esperava às vezes."
Os biólogos costumavam achar que esse tipo de flexibilidade interferia no estudo da evolução, diz Anurag Agrawal, ecologista evolucionário da Cornell University. Não mais. É emocionante que Warkentin tenha documentado coisas novas maravilhosas sobre um sapo carismático, mas Agrawal diz que há muito mais a fazer. "Eu acho que ela recebe crédito por levá-lo além do 'gee whiz' e fazendo algumas das questões conceituais em ecologia e evolução."
Quais são as vantagens de uma tática de sobrevivência em detrimento de outra? Mesmo um sapo de 5 dias tem que equilibrar o benefício de evitar uma cobra faminta contra o custo de chocar cedo. E, de fato, Warkentin e seus colegas têm documentado que os girinos nascidos no início da vida têm menos probabilidade do que seus irmãos nascidos no final de sobreviver até a idade adulta, particularmente na presença de ninfas famintas de libélulas.
A plasticidade não só permite que os sapos lidem com desafios no momento; pode até ganhar tempo para a evolução acontecer. Warkentin descobriu que os girinos também eclodem cedo se estão em risco de secar. Se a floresta tropical se tornasse mais seca, essa eclosão inicial poderia se tornar padrão após incontáveis gerações, e a rã poderia perder sua plasticidade e evoluir para uma nova espécie de nascimento rápido.
Um dos pilares do pensamento evolutivo é que as mutações genéticas aleatórias no DNA de um organismo são a chave para se adaptar a um desafio: por acaso, a sequência de um gene muda, uma nova característica emerge, o organismo passa seu DNA alterado para o próximo geração e dá origem a uma espécie diferente. Consequentemente, dezenas de milhões de anos atrás, alguns mamíferos terrestres adquiriram mutações que permitiram que ele se adaptasse à vida no oceano - e seus descendentes são as baleias que conhecemos e amamos. Mas a plasticidade oferece outra possibilidade: o gene em si não precisa sofrer mutação para que uma nova característica surja. Em vez disso, algo no ambiente poderia empurrar o organismo para fazer uma mudança, baseando-se na variação que já está em seus genes.
Para ter certeza, a teoria de que a plasticidade poderia realmente dar origem a novos traços é controversa. Sua principal proponente é Mary Jane West-Eberhard, uma bióloga teórica pioneira na Costa Rica afiliada à STRI e autora do influente livro 2003 Developmental Plasticity and Evolution . "O século 20 foi chamado o século do gene", diz West-Eberhard. "O século 21 promete ser o século do meio ambiente." Ela diz que o pensamento mutacional é "uma teoria evolutiva em negação". Darwin, que nem sabia que os genes existiam, estava certo, ela diz: Ele deixou aberto a possibilidade de que novas características possam surgir devido à influência ambiental.
West-Eberhard diz que o grupo de Warkentin "demonstrou uma capacidade surpreendente de embriões minúsculos tomarem decisões adaptativas baseadas em sensibilidade extraordinária aos seus ambientes". Esse tipo de variação, diz West-Eberhard, "pode levar à diversificação evolutiva entre as populações".
Embora nem todos concordem com a teoria de West-Eberhard de como a plasticidade poderia trazer novidade, muitos cientistas agora acham que a plasticidade fenotípica emergirá quando os organismos viverem em ambientes que variam. A plasticidade pode dar às plantas e aos animais tempo para se ajustarem quando são despejados em um ambiente completamente novo, como quando as sementes são levadas para uma ilha. Uma semente que não é tão exigente quanto às exigências de temperatura e luz pode fazer melhor em um novo lugar - e pode não ter que esperar por uma mutação adaptativa.
Além disso, muitos cientistas pensam que a plasticidade pode ajudar os organismos a experimentar novos fenótipos sem estarem totalmente comprometidos com eles. Início precoce, por exemplo. Diferentes espécies de sapos variam muito em quão desenvolvidos eles são quando eclodem. Alguns têm uma cauda atarracada e mal conseguem nadar; outros são animais de quatro membros completamente formados. "Como você consegue esse tipo de variação evoluída?", Pergunta Warkentin. “A plasticidade no tempo de incubação desempenha um papel nisso? Nós não sabemos, mas é bem possível ”.
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A cidade de Gamboa foi construída entre 1934 e 1943 pela Companhia do Canal do Panamá, uma corporação do governo dos EUA que controlava o canal até 1979, quando foi entregue ao Panamá. Gamboa, no limite de uma floresta tropical, é parte da cidade fantasma, parte da comunidade de dormitórios da Cidade do Panamá e parte do acampamento científico de verão. Muitos moradores são cientistas e funcionários do STRI.
Quando visitei, a equipe de Warkentin tinha até uma dúzia de pessoas, incluindo vários alunos de graduação a quem ela se refere como "as crianças". Certa manhã, um bando de jovens de aparência vigorosa, com botas, mochilas e chapéus até o joelho, parte do laboratório de Warkentin. através do campo atrás da escola, passando pelas quadras de tênis.
James Vonesh, professor da Virginia Commonwealth University, que fez uma bolsa de estudos de pós-doutorado com Warkentin e ainda colabora com ela, aponta sua placa favorita na cidade, um remanescente da era do Canal Zone: "No Necking". as arquibancadas da antiga piscina, agora parte do clube esportivo dos bombeiros locais. Então ele explica a uma das crianças o que significa "necking".
Eles caminham por uma estrada até um viveiro de plantas nativas, atravessam uma vala em uma passarela e chegam à Lagoa Experimental. Foi construído de concreto de acordo com as especificações fornecidas por Warkentin e Stan Rand, um pesquisador de rã reverenciado no STRI, que morreu em 2005.
No lado mais distante da lagoa está a área de pesquisa do grupo, delimitada por uma vala de um lado e um riacho, depois floresta tropical, do outro. Há um galpão coberto de metal com laterais abertas, cercado por dezenas de tanques de gado de 100 galões usados em experimentos. Eles se parecem com baldes dispostos para pegar uma série de vazamentos extremamente grandes. Vonesh fala sobre o sistema de encanamento com mais entusiasmo do que parece possível. "Podemos encher um tanque de gado em três ou quatro minutos!", Ele exclama.
Todo esse enchimento rápido significa que os pesquisadores podem fazer experiências rápidas com as quais outros ecologistas aquáticos só podem sonhar. Hoje eles estão desmantelando uma experiência de predação. Quatro dias atrás, 47 girinos foram colocados em cada um dos 25 tanques, juntamente com um Belostomatid, um tipo de inseto aquático que come girinos. Hoje, eles contarão os girinos para descobrir quantos Belostomatídeos comeram.
Uma gigantesca borboleta morfo-azul voa por suas asas iridescentes, um chocante esguicho de azul elétrico contra a exuberante floresta verde. "Eles vêm, assim, o mesmo lugar na mesma hora do dia", diz Warkentin.
"Eu juro que vejo isso todas as manhãs", diz Vonesh.
"É o morfho 9:15", diz Warkentin.
Warkentin explica a experiência que estão terminando hoje. "Sabemos que os predadores matam presas, obviamente, e eles também assustam as presas", diz ela. Quando os girinos recém-nascidos caem em um lago, os insetos aquáticos são uma das ameaças que enfrentam. A plasticidade dos girinos pode ajudá-los a evitar serem comidos - se conseguirem detectar os insetos e, de alguma forma, reagirem.
Os ecologistas desenvolveram equações matemáticas que descrevem a quantidade de presas que um predador deve ser capaz de comer, e gráficos elegantes mostram como as populações sobem e descem à medida que uma come a outra. Mas o que realmente acontece na natureza? O tamanho importa? Quantos girinos de 1 dia de idade comem um percevejo totalmente crescido? Quantos girinos mais velhos e mais gordos? "Obviamente, achamos que as coisas pequenas são mais fáceis de pegar, comer e enfiar na boca", diz Vonesh. "Mas nós realmente não incorporamos isso a esses modelos básicos."
Para descobrir quantos girinos foram comidos, os alunos de graduação, de pós-graduação, professores e um pós-doutorado precisam tirar cada último girino de cada tanque para serem contados. Vonesh pega uma xícara de bebida plástica transparente do chão por seus pés. Dentro há um percevejo que estava se alimentando de girinos. "Ele é um cara grande", diz ele. Ele alcança um tanque com a rede, puxando girinos um ou dois de cada vez e colocando-os em uma banheira de plástico rasa.
“Você está pronto?”, Pergunta Randall Jimenez, estudante de pós-graduação da Universidade Nacional da Costa Rica.
"Estou pronto", diz Vonesh. Vonesh derruba o tanque enquanto Jimenez segura uma rede sob a água jorrando. Os caras assistem à rede por quaisquer girinos que a Vonesh tenha perdido. "Viu alguém?", Pergunta Vonesh. "Não", diz Jimenez. Leva quase 30 segundos para a água fluir para fora. A maioria dos pesquisadores usa botas altas de borracha para se proteger contra cobras, mas elas são úteis quando o solo se transforma rapidamente em lama.
Um bando de grilos vagueia despreocupadamente pela grama. "Eles gostam de comer girinos", diz Vonesh. "Eles gostam de sair e fingir que estão procurando minhocas, mas assim que você vira as costas, eles estão na sua banheira."
Vonesh leva sua banheira de girinos para o galpão onde Warkentin a fotografa. Um aluno contará os girinos em cada foto. Insetos e pássaros cantam das árvores. Algo cai - plink - no telhado de metal. Um trem de carga assobia dos trilhos do trem que correm ao longo do canal; um grupo de macacos grita uma resposta estridente das árvores.
Para cientistas como Warkentin, Gamboa oferece um pouco de floresta tropical a cerca de uma hora de carro de um aeroporto internacional. "Oh meu Deus. É tão fácil ”, diz ela. “Há o perigo de não apreciar o quão incrível é. É um lugar incrível para se trabalhar.
Durante o dia, os icônicos sapos de olhos vermelhos não estão pulando. Se você sabe o que está procurando, pode encontrar o ocasional homem adulto agarrado a uma folha como uma caixinha verde-clara - pernas dobradas, cotovelos apoiados ao lado para minimizar a perda de água. Uma membrana modelada como a tela de uma janela de madeira entalhada de uma mesquita cobre cada olho.
A ação real é à noite, então uma noite Warkentin, Vonesh e alguns convidados visitam a lagoa para procurar rãs. Os pássaros, insetos e macacos são silenciosos, mas os chilrear dos anfíbios e os rangidos enchem o ar. A chamada de um sapo é um claro e alto "knock-knock!" Outro soa exatamente como uma arma de raios em um videogame. A floresta parece mais selvagem à noite.
Perto de um galpão, um sapo macho de olhos vermelhos se agarra ao caule de uma folha larga. Pequenos dedos de laranja estendidos, ele mostra sua barriga branca e grandes olhos vermelhos à luz de vários faróis. "Eles têm essas posturas fotogênicas", diz Warkentin. “E eles apenas sentam lá e deixam você tirar uma foto. Eles não fogem. Alguns sapos são tão nervosos. ”Talvez seja por isso que o sapo-de-olho-vermelho ficou famoso, com sua foto em tantos calendários, sugiro - são mais fáceis de fotografar do que outros sapos. Ela me corrige: "Eles são mais fofos".
Os cientistas acreditam que os ancestrais dos sapos modernos depositaram seus ovos na água. Talvez a própria rã de olhos vermelhos pudesse ter evoluído seus hábitos de postura como resultado da plasticidade fenotípica. Talvez um ancestral se interessasse em botar seus ovos para fora da água, apenas em dias realmente úmidos, para fugir dos predadores aquáticos - uma maneira plástica de lidar com um ambiente perigoso - e esse traço foi passado para seus descendentes, que acabou perdendo o controle. capacidade de colocar ovos na água.
Ninguém sabe se foi assim que aconteceu. "Isso foi há muito tempo e não é mais adequado para esses tipos de experimentos", diz Warkentin.
Mas experimentos intrigantes sobre outro tipo de rã - que ainda pode estar navegando na transição entre a água e a terra - estão em andamento. Justin Touchon, um ex-aluno de doutorado de Warkentin, estuda como o sapo de árvore de ampulheta, Dendropsophus ebraccatus, deposita seus ovos, que são menos cheios de geleia e mais propensos a secar do que rãs de olhos vermelhos. Um sapo de ampulheta fêmea parece escolher onde colocar os ovos com base na umidade. Em lagoas sombreadas por árvores, descobriu Touchon, eles põem ovos nas folhas acima da água, mas em lagoas mais quentes e mais expostas, os ovos entram na água.
Em um estudo publicado no mês passado, ele descobriu que os ovos eram mais propensos a sobreviver em terra, se houvesse muita chuva, e mais propensos a sobreviver na água, se as chuvas fossem escassas. Ele também analisou os registros de chuva para a Gamboa nos últimos 39 anos e descobriu que, embora as chuvas gerais não tenham mudado, o padrão tem: As tempestades são maiores, mas mais esporádicas. Essa mudança no ambiente pode estar provocando uma mudança na forma como os sapos de ampulheta se reproduzem. "Dá uma janela sobre o que causou o movimento de reprodução em terra", diz Touchon - um clima que mudou para ter muita chuva constante poderia ter tornado mais seguro para as rãs botar ovos fora da água.
O grupo de Warkentin é baseado no andar térreo da Escola Primária de Gamboa, que foi fechada na década de 1980. Certa manhã, Warkentin está sentado em uma antiga cadeira giratória com braços empoeirados em uma mesa de escritório aposentada, fazendo o que parece ser um projeto de artesanato da escola primária.
No chão à sua esquerda, há um balde branco com fileiras de retângulos verdes colados no interior. Ela se abaixa e puxa uma para fora. É um pedaço de folha, cortado com uma tesoura de uma das plantas de folhas largas na lagoa experimental, e nela há um punhado de ovos gelatinosos de sapo de olhos vermelhos. Ela arranca uma tira de fita e enfia o pedaço de folha em um retângulo de plástico azul, cortado de uma placa de piquenique de plástico.
"Você pode fazer uma incrível quantidade de ciência com louça descartável, fita adesiva e arame galvanizado", diz ela.
Ela coloca o cartão em um copo de plástico transparente com um pouco de água no fundo, onde os girinos vão cair quando chocam e vai para o próximo pedaço de folha. Os girinos farão parte de novos experimentos de predação.
Há um grande valor explicativo em modelos simples - mas ela quer entender como a natureza realmente funciona. "Estamos tentando lidar com o que é real", diz ela. "E a realidade é mais complicada."
