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又双叒叕席卷美国,17年蝉与13年蝉,真的每隔221年才会相遇吗?

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不知道大家有没有发现,「周期蝉」是一个“月经”话题。

每隔一两年,都有大量的媒体报道:



明明是13年、17年蝉,为啥会存在连续年份出现的情况呢?

因为,周期蝉其实也并非绝对的13年或者17年,而是具有一定的可塑性。初代周期蝉经过180万年的发展,早就形成了大量年份错开的种群。

它们的周期会受到气候、生长季节等因素的影响[1]。小部分个体被观察到早一年,晚一年,或者早四年,晚四年的破土情况。


极个别周期蝉,早一年和早四年孵化情况

当然,这并不是说,早一年、晚一年就变成了16年蝉或者18年蝉。

因为提前孵化出来的禅,通常都会被天敌吃掉,几乎不会存活下来[2]。

天敌对个别不守规矩的禅的捕食,倒是为周期蝉起源的天敌说提供了一定的支撑。

该假说认为,蝉是一种很容易捕食的昆虫,几乎任何能抓到它们的东西都会吃掉它们。但如果蝉种群数量足够大,或者能避开天敌的捕食,就能生存繁衍下去。于是在长期的演化压力下,出现周期性。

这个假说,是有一定支撑的。

因为,周期蝉的出现和鸟类等捕食者的密度,具有负相关[3]。也就是说,周期蝉出现的时间,正好处在天敌最少的年份。不守规矩的蝉,在其它年份出土,自然就会面临更多的天敌。

但其实因果关系也可能完全反过来。主要摄食蝉的动物种群,会跟着蝉的总群数波动,而17年前出现的前一年,天敌数下滑到最低,当17年蝉出现的时候,遇到的天敌自然最少了。

除此之外,天敌假说也有缺陷。

所有的蝉都会面临天敌的选择,但周期蝉在整个蝉科动物中,其实仅仅只是少数种类。

除此之外,解释蝉周期的还有冰期说。

第四纪冰期处于300万年前-1万年前之间,正好有这么一个演化时间。

在冰河时期,由于常年低温,植被根系萎缩,蝉可能因为若虫的大量死亡,而呈现极低的密度。密度低了,成蝉的交配机会也就少了,从而造成后代越来越少。食物缺少的地质时期,小型哺乳动物和鸟类对蝉的捕食压力也会激增。一系列的连锁反应,从而对蝉形成了极强的选择压。

蝉的生长发育缓慢,为了完成发育,蝉的生命周期就会被延长。

不同的蝉,通过不同的繁衍策略生存了下来,同时由于分布不同,所以不同的种群形成了不同生命周期长度。

而周期蝉选择了地狱模式。

在冰期若虫成长期延长了,还需要经历一个长期的自然淘汰,才有可能形成固定周期。

例如,一开始若虫生长期为7年,每年都有成虫出土。但冰期气候寒冷,出现地质降温的时候,就可能造成当年成蝉的大量死亡,乃至于灭绝。那么,和这一年相对应的7年后的那一年,出现的蝉也会大量减少。

经过长达100万年的选择,在生长期不断延长的过程中,一些年限周期的蝉就基本上被淘汰完了,剩下的蝉,自然就变得更加的具有周期性。



周期蝉周期的形成过程:a积温对蝉周期的影响;b演化过程中蝉温度阈值的改变

这种周期性形成的概率,相比起那些从冰河世纪“硬抗”下来的蝉,其实概率更低一些。这也就能解释,为什么周期蝉的种类,仅仅只是蝉科的少数了。

模拟数据显示,寒冷的环境下,对周期性的基因具有强选择性,而温暖的环境则并不明显:



a,寒冷情况下周期蝉种群的时间动态;b温暖环境下周期蝉种群的时间动态

周期蝉的演化其实处在灭绝边界,当年如果气候的变化,再稍微高出它们的承受阈值,其实就直接灭绝了。

但如果周期蝉的预期寿命长达50年,若虫期依旧是17年,生存压降低,它们这种周期性就会逐渐消失。但现实情况,成虫寿命不可能无限延长。

或许在演化史上出现过19年蝉,只不过它们最终还是因为对寒冷气候的承受阈值太低,而灭绝了。

当前,对于周期蝉周期是素数的特殊现象,依旧没有定论。

根据土壤积温的微小差异变化,周期出现在10~20年,是合理的。但为什么会是素数,通过模拟发现,可能和周期蝉种群的Allee效应有关[4](密度时个体适合度与种群密度之间的一种正关系)。演化过程中,偶数周期蝉频频相遇,发生积累的种内竞争,同时发生杂交和退化,最终形成了素数的13和17年周期蝉[5]。

虽然从数学关系来说,如果是13周期蝉和17周期蝉,相遇的时间是221年一次。

然而,实际情况却并不会发生。

A种群17年蝉在今年出现,B种群17年蝉则可能在明年出现,C种群17年蝉则可能在后年出现。

虽然A、B、C往往分布在不同的地区,但它们的边界是可能相遇的,某些种群存在交叉地带。

再考虑到蝉周期的不完全稳定,无论不同的17年蝉,还是与13年蝉,都有年年相遇的可能性。



当然,考虑到实际的种群数量和规模,也有可能出现某一年几乎没有周期蝉出现的情况。

至于对环境的影响,周期蝉对生态环境的负面影响很低,甚至可能存在积极的影响:

周期蝉出现的前一年(若虫生长的年份),被观察到因被取食汁液,树木生长缓慢的现象[6]。这勉强可以看成是对环境的负面影响吧。

积极影响在于,大量的周期蝉从若虫到成虫,都可以养活大量的动物,而死后可以成为森林的养分,无论对土壤有益微生物还是氮的积累都非常有益。

很明显,大量的周期蝉,是北美活跃生态系统充满数学(素数周期)和生态学美感(碳氮氮循环)不可缺少的一环。

周期蝉危害小,还在于它们不可能出现蝗灾那样的不可控。

首先,它们不会像蝗虫那样通过摩擦翅膀分泌信息素变成聚群动物。

其次,它们存在大量的天敌。不仅有大量的鸟类、爬行动物,小型哺乳动物,甚至还有猫猫狗狗。它们破土时,还可能被蝉团孢霉(Massospora cicadina)感染[7],从而出现僵尸蝉。被感染的蝉腹部会充满真菌孢子,通过生殖器散播孢子感染其他的蝉,不仅会导致蝉死亡,还会导致不孕。

周期蝉在美国很长一段时间得不到好评的根本原因,在于早期殖民者把突然大量出现的周期蝉误认为是蝗虫。

美国人看到成群的蝉就会联想到圣经上瘟疫,甚至至今人们都称呼周期蝉为蝗虫。

哪怕周期蝉不会造成蝗虫那般的灾害,人们最关心的问题依旧如何杀死它们。

参考

  1. ^Dance, Scott (May 16, 2017)."As cicadas emerge four years early, scientists wonder if climate change is providing a nudge".The Baltimore Sun. RetrievedMay 21,2017.
  2. ^scientificamerican:Noisy Cicadas Are Widely Misunderstood
  3. ^Liebhold K . Avian predation pressure as a potential driver of periodical cicada cycle length[J]. American Naturalist, 2013, 181(1):145-149.
  4. ^ Ito H , Kakishima S , Uehara T , et al. Evolution of periodicity in periodical cicadas[J]. Scientific Reports, 2015, 5(1):14094.
  5. ^Zhenyong, Du, Hiroki, et al. Mitochondrial genomics reveals shared phylogeographic patterns and demographic history among three periodical cicada species groups.[J]. Molecular Biology & Evolution, 2019.
  6. ^Yang, Louie H. "Periodical cicadas as resource pulses in North American forests." Science 306.5701 (2004): 1565-1567.
  7. ^de Bekker, Charissa, William C. Beckerson, and Carolyn Elya. "Mechanisms behind the madness: how do zombie-making fungal entomopathogens affect host behavior to increase transmission?." Mbio 12.5 (2021): 10-1128.

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