221年一相遇！这两种周期蝉演绎动物界的“白娘子与许仙”

科普中国-科普融合创作与传播 2018-04-28

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　　白素贞等待了千年才与许仙断桥相会，可见缘分虽然妙不可言，却也可遇不可求。

　　世界上有两种蝉，一种每13年出现一次，一种每17年出现一次。接下来请听好这道五年级奥数题：17年蝉和13年蝉要间隔多少年才会相遇一次？相信两个质数最小公倍数的求法大家还是没忘记的，答案是221年！简直久到白素贞都快成仙了！

　　不过，接下来这道题就有点超纲了，它们在221年一次的相遇中，会不会做一些羞羞的不可描述的事情？这个问题的答案最近还真被科学家揭开了。

　　什么是周期蝉？13年或17年一循环

　　蝉是中国老百姓非常熟悉的昆虫之一，特别是在北京以南的很多地区，每年盛夏总会有无数蝉附着在高大的乔木之上，制造刺耳的鸣响。蝉生命中的大部分时期是生活在地下的幼虫状态，幼虫以树根汁液为食，逐渐发育成长，在生命的最后一个月左右钻出地表羽化为成虫。之后，传宗接代就成为他们唯一的目标：雄蝉依靠腹部的发声器官——鼓室制造出高达100分贝的声响，以此吸引雌蝉前来交配。

　　目前记录在案的蝉已经有将近3000种，其中绝大部分种类的生长周期都在1到5年。以北方常见的油蝉（俗称知了）为例，0龄幼虫在产卵后的初年卵内越冬，第二年6月孵化完成，成为1龄幼虫，此时身体大部分器官都已发育成型。1龄幼虫潜入地下，蛰伏5年，经过4次蜕皮后在第六年夏天钻出地表。

　　不过，在北美的很多地区，一些特定种群蝉的生长周期非常长，以13年或17年为一个循环，因此被称为周期蝉。它们的幼虫在地下蛰伏13或17年后，同种蝉的若虫同时破土而出，在4到6周内完成羽化、交配、产卵、随即死亡，从卵中孵化的幼虫再钻入地下，开始一个新的生命循环。

周期蝉的生命历程，来源：参考文献6

　　从基因角度进行的遗传学分析表明，这两种蝉大约是180万年前从同一祖先分化出来的。目前，13年蝉主要分布在美国东南部的几个地区，分为3个亚种，现存3个种群。17年蝉则主要分布在纽约周围等东北部地区，分为4个亚种，现存12个种群。一直以来，除了定期大爆发带来的冲击感，周期蝉的种种谜团都令科学家费解。

周期蝉现存的15个种群

　　它们的生命周期为何如此之长？13和17这样的质数周期真的是偶然为之？

　　科学家认为，周期蝉的生命周期如此之长是基于两大考虑：

　　首先，周期蝉这个物种诞生早期，北美大陆的夏天要比现在寒冷，偶尔会出现连续两三年的冷夏。如果周期蝉采用两三年的短生命周期，很可能会接连经历几次冷夏，进而遭到团灭，这对种群的存续会造成不小的威胁。而采用长周期则可以避免出现这样的问题，提高种群的存活率。

　　事实上，曾经可能存在的情况是，当年周期没有这么长的兄弟种群都被冻死了，特别是17年蝉生活的纬度更高，因此需要蛰伏的时间也稍长一点。更长的蛰伏时间也令17年蝉拥有更好的发育状况，进而具有更多的营养来进行生殖。有证据表明，17年蝉的产卵能力要高于13年蝉。

2013到2015年间周期蝉的出现情况，来源：参考文献6

　　此外，很多种寄生虫都是蝉的天敌，它们的生命周期大多为3到4年。如果周期蝉采用短周期，每3、4年就可能遭遇一次天敌的侵袭，这同样是非常不利的。对于一切昆虫的天敌鸟类来说，虽然每17年就能赶上一次真正的饕餮盛宴，但是由于瞬时数量太过庞大，鸟类也无法有效抑制蝉的数量。据报道，每次周期蝉大爆发时，种群总数量可以达到60亿之巨，这样庞大的种群集中在相对狭小的限定地域内，当地的鸟类是绝不可能完全消化的。

　　周期蝉大爆发，成虫和若虫羽化时蜕去的壳混杂在一起，来源：网络

　　有趣的是，由于从来没有逃避天敌捕食的概念，周期蝉的字典中是没有恐惧两个字的。小鸟即便已经吃掉了旁边的兄弟，周期蝉也是照样该吃吃该喝喝，绝不逃跑认怂。给人一种生死有命富贵在天的感觉，颇为佛系。

　　质数周期同样与逃避寄生虫天敌有关，如果是12年为周期，很可能频繁地与3年和4年发生的寄生虫相遇（当然还有2年生），13年周期的话，则分别39年或者52年才会遇到一次，极大提高成活率。

　　13年蝉和17年蝉会种间杂交？有这种可能！

　　科学界一直认为，13年蝉和17年蝉之间是不会发生杂交的，即便是它们同时相遇的年份，也不会对彼此产生兴趣。然而，一项4月19号发表在Nature集团旗下新刊物《Communications Biology》的论文表明，科学家们在基因层面上发现了两种周期蝉进行过杂交的证据。之前，科学家们一度认为这两种蝉之间是不会发生交配行为的。科学家们分析，在同一地区栖息的两种周期蝉，每221年一次的相遇是有可能造成种间杂交的。此外，不排除极少数不太合群的个体没有遵循13或者17这样的规律，提前或者拖后出土羽化，与异族不期而遇之后发生不可描述的行为。

　　可能有些爱操心的读者会问，杂交会不会影响后代的周期性？假如周期发生了错乱，后代在与大部队不同的年份钻出地表，岂不是只能注定孤独终老？

　　不用担心，科学家们发现，杂交并没有让后代周期蝉的生长周期发生异常，仍然是13或者17年，并且这种周期性在经历10万年到20万年的跨度后仍然可以保持。

　　根据论文中的推测，周期蝉的生长周期很可能由尚未定位的遗传基因进行调控。杂交后基因仍然由子代继承，遵循与亲代类似的周期规律。至于杂交后子代的周期是随爹还是随妈，论文中并没有明确结论……今后，研究小组的目标将是解析周期蝉的基因组，并在此基础上厘清与周期调控相关的奥秘。

　　周期蝉怎么知道啥时候钻出地面？

　　还有一个未解之谜，同一种群周期蝉钻出地面的时间控制机制是怎样的？它们如何计算年份？

　　有科学家认为，周期蝉是通过计算冬眠的次数来获知应该什么时候钻出地面的。每年冬天，地下的蝉幼虫会按时冬眠，经过一定年数后，就会破土而出。

2004年Brood X大爆发时的景象，地面布满17年蝉钻出后留下的小孔，来源：见水印

　　加州大学戴维斯分校的Karban教授对此有不同见解，他认为周期蝉的幼虫在地下吸食树根汁液时可以感受到树龄的变化。他利用一株经过基因工程改造的桃树完成了一个有趣的实验，正常的桃树一年开一次花结果一次，这株桃树却可以一年开花两次。将地下采集到的正常发育的周期蝉移到这株桃树的树根后，周期蝉在一年时间内完成了两年的发育历程。

　　然而，这两种解释也仅仅是将单位精确到了年而已，但周期蝉钻出土地的时间点却是高度统一的，仅仅只有几天时间。Karban教授曾经对蛰伏于地下的周期蝉进行过系列挖掘，他发现，实际上地下的发育过程存在明显的进度差异，但令人惊奇的是，发育进度提前的个体们会等候整个群体中的后进者也完成发育，才开始钻出地表。也就是说，周期蝉们在等待某个信号。那么，信号到底是什么呢？科学家们目前仍然不清楚，比较流行的假设是土壤温度。

周期蝉证件照，来源：维基百科

　　为什么周期蝉只生息在北美大陆？

　　小编认为，山东地区不少吃瓜群众对这个问题应该有独到见解。遥想数千年前，齐鲁大地诞生了中国较早的农业文明，大家刀耕火种、齐心协力建设美好家园。可是古代毕竟生产力水平不高，收成一般，大家日子过的很辛苦……结果十几年一次，天降祥瑞，过年吃饺子，一吃一个月，吃不完打包外带，烧烤、油炸、风干……。周期蝉错误地选择了Hard模式，经过了几代人的努力，周期蝉也就永远地消失在中华民族悠悠五千年的历史长河中了……（本段文字纯属瞎掰，这个问题目前还没有科学解释）。