221年一相遇!这两种周期蝉演绎动物界的“白娘子与许仙”

释放双眼,带上耳机,听听看~!
出品:科普中国制作:大阪大学 张昊监制:中国科学院计算机网络信息中心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

出品:科普中国

制作:大阪大学 张昊

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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)。

齐鲁名菜,油炸知了猴儿,来源:网络

曾经有一句流传甚广的古风金句,“用我三生烟火换你一世迷离”。周期蝉的生命,虽有太多的时间陷在尘泥,却终在生命的尽头冲出幽暗的地底,奔向无限的光明。221年一次的相遇,周期蝉的世界又何尝不是这样的三生三世,乃至生生世世?

参考文献

1.https://www.sciencenews.org/blog/science-ticker/cicadas-different-schedules-can-hybridize?tgt=nr

2.https://www.nature.com/articles/s42003-018-0025-7

3.http://magicicada.org/magicicada/

4.http://blog.livedoor.jp/hsnemu/archives/3856503.html

5.https://www.natureasia.com/ja-jp/research/highlight/12477

6.https://www.huffingtonpost.jp/2018/04/23/what-is-going-on-with-the-cicadas_a_23417667/

7.https://www.zhihu.com/question/22250022

8.https://www.sciencenews.org/article/mystery-synchrony

9.https://www.sciencenews.org/blog/deleted-scenes/brood-ii-emerges-questions-remain-about-cicada-cycles

本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。

人已赞赏
百科日报

人类文明是地球上第一个文明吗?

2018-4-26 0:00:00

百科日报

4月28日,91年前的李大钊被绞死

2018-4-28 0:00:00

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
今日签到
有新私信 私信列表
有新消息 消息中心
搜索