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13年蝉∪17年蝉,数以亿计周期蝉在今夏相遇,但其实也没有那么罕见
原创 万物杂志 把科学带回家
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(图片来源:illinois.edu)
撰文 | 河边的卡西莫多
一千多年前,南宋著名词人辛弃疾在乡村居住之时,田园生活的美好让他十分欣喜,因此写出了一首著名的《西江月·夜行黄沙道中》(初中必学古诗词),其中第一句是:
明月别枝惊鹊,清风半夜鸣蝉。
远处虽有蝉声,但偶尔的鸣叫却更让人悠然神往。但假如他“穿越”到这个夏天的美国东海岸,那估计感受到的就不会再是悠闲,而是片刻不得安宁的呱噪了。
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周期蝉博物插画,这是由美国博物画家罗伯特-E-斯诺德格拉斯(Robert E. Snodgrass)在1930年绘制(图片来源:si.edu)
根据预测,在今夏的美国东部地区,大约会有1万亿只蝉成虫羽化。为什么会出现这么多蝉呢?这就是北美洲特有的周期蝉现象。
蝉是昆虫家族蝉科动物的统称,全球大约有3000多种,而周期蝉可能是其中最为特别的一类了。
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常见的几种蝉。蝉在我国也很常见,各地有着很多不同的俗名,比如知了、知了猴、爬杈、嘟了龟儿……(图片来源:wikimedia.org)
作为成虫的蝉,寿命非常短。在4-6周的时间里,它需要与时间赛跑,不仅要躲避天敌和避免成为烤蝉蛹,完成觅偶、交配、产卵等一系列活动。当秋天来临,它的生命也将走到尽头。
但蝉的前半生,却意外的漫长。从卵到若虫的阶段,蝉都是在地下生活,它会在黑暗中生活几年甚至十几年时间才破土而出。而周期蝉(Periodical Cicida),正是其中生活周期最长的物种,甚至还是世界上寿命最长的昆虫之一。
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蝉的一生(图片来源:网络)
目前全球已知的周期蝉共有9种,其中7种生活在北美洲,均属于周期蝉属(Magicicada)物种,分为13年蝉和17年蝉,也就是它们会分别在地下蛰伏13年和17年之后才冒出地面。
相比每年都出现的蝉,周期蝉的体型较小,大多数是黑色的,有着明亮的红色眼睛和橙色的翅膀和腿。在漫长的“童年期”,它们以吸食树根的汁液为生。而一旦到了该孵化的年份,当气温上升到20℃左右时,它们就会像接受到神秘的指令一般,在极短的时间内一起钻出地面。
点击空白处查看周期蝉蜕皮过程(图片来源:wikimedia.org)
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常年风平浪静,突然在某一年大量的蝉瞬间涌出。这种戏剧性的场面,让几百年前踏上美洲的殖民者们惊讶不已,也让周期蝉有了“魔蝉”的称号。更为神奇的是,13和17这两个周期数字又是质数,就似乎周期蝉学会了数学,懂得用质数减少被天敌吃掉的可能,提高生存率。
由于13和17最小的公倍数是221,所以很多报道都会以“221年一遇的奇观,上一次二者相遇还是我国清朝嘉庆年间”来报道今年的情况。那么,周期蝉真的有那么神奇吗,两种周期蝉的相遇也真的需要等待221年如此之久吗?
周期蝉选择13和17年孵化,很有可能不是主动的选择,而是被动筛选后的结果。根据目前科学界的主流观点:周期蝉大约是在400万年前的末次冰川期出现的,由于当地温度还很低,所以尽量延长孵化的年份,有利于周期蝉的存活;并且有很多寄生虫以蝉为家,这些寄生虫的生命周期一般都是3-4年。
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周期蝉属物种及大致分布(图片来源:nature.com)
所以在漫长的时光中,很有可能出现过合数或者较短质数为周期的蝉,但在环境和天敌的侵袭下,这些种类最终都灭绝了,只有13和17年的周期蝉侥幸活了下来。
有一个证据可以佐证这样的猜想:虽然美洲的周期蝉是质数,但在大洋洲的斐济,生活着一种8年蝉;在印度的东北部还有一种“世界杯蝉”,因为它每四年出现一次。这说明,质数并不是周期蝉必备的特性,而更可能是一种自然筛选下的巧合。
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“世界杯蝉”海报,这种蝉恰好每次出现的时间恰好都是举办足球世界杯的年份,当地甚至会举行足球赛来庆祝“世界杯蝉”的出现(图片来源:thebridge.in)
到目前为止,人类还没有在周期蝉的身上找到控制年份的基因。但有科学家曾经做过实验:让一株桃树在一年内开花两次,结果在它树下的周期蝉提前了一年钻出了的地面。所以周期蝉很有可能通过感知植物根部的季节性液体流动,从而激活体内的苏醒机制。
还有一种很流行的说法,那就是之所以分别是13年蝉和17年蝉,只有每221年二者才会同时出现,这样可以有效避免二者发生杂交或者产生竞争。
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几百万年来,周期蝉都遵守着独特的时间周期(图片来源:scientificamerican.com)
但其实这种说法也不太站得住脚。不管是13年蝉还是21年蝉,都有很多不同的种群,它们孵化的年份也都各有区别。所以实际上每隔5、6年,两种周期蝉就会在同一年出现。
不过虽然时间上经常“撞车”,但空间上其实二者重合区域很有限。17年蝉的区域主要在五大湖附近,而13年蝉则更靠近大西洋沿岸和中部草原。虽然存在竞争和杂交的可能性,但概率并不高。
正因如此,科学家们也没有非常特意地关注今年蝉情,今年是轮到了17年(Brood XIII)和13年(Brood XIX)种群孵化,这两个种群相对分布较广,但同样重合区域有限,数量也没有非常夸张到“两百年一遇”。
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今年孵化的两个周期蝉的种群分布图。其实在2022年,就已经有另外两种13年和17年蝉相遇了。只有特定两个不同生命周期的蝉群,二者才是每221年共同出现一次(图片来源:scientificamerican.com)
周期蝉富含蛋白质,每当它出现,也意味着当地各种动物迎来了“盛宴”。当然,也并不是只有我们中国人才会享用蝉蛹,北美洲原住民其实也一直都把周期蝉当作食材。
而今天的美国人如何面对“大自然的馈赠”呢?答案是卷玉米饼、拌入意面,甚至做成沙拉。
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面对周期蝉,美国人同样也有勇敢尝试的人,甚至当地还会有专门介绍如何烹制的菜谱(图片来源:网络)
那么,突然爆发的周期蝉会对当地环境有影响吗?影响肯定是会有的,起码几周不绝于耳的蝉鸣肯定影响当地人休息。还有科学家注意到周期蝉出现的前一年,树木生长会因为蝉取食汁液变得缓慢。但作为已经存在了百万年的现象,周期蝉对于环境的波及其实很有限,也不太会给当地人传播疾病。
反而是由于人类的活动和全球气候异常,周期蝉自身的生活规律经常会被干扰,人们也目击过很多次周期蝉提前孵化的情况。如果气候再继续升高,对周期蝉来说可能就是毁灭性的打击。
希望几百年后的人类,也一样可以享受“蝉噪林逾静,鸟鸣山更幽”的美好夏天吧。
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听到了蝉鸣,也意味着迎来了夏天(图片来源:folklife.si.edu)
参考资料:
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