https://www.scientificamerican.com/article/brood-x-cicadas-are-emerging-at-last1/

今年夏天,数以亿计的十七年蝉终于破土而出

它们属于一个名为 Brood X 的群体,已经在地下生活了 17 年。人类记录这群神秘昆虫已超过三个世纪

今年夏天,自然界奇观之一的周期蝉「十号群」(Brood X)在美国东部各地的庭院和树林里羽化。这奇景或许不如塞伦盖蒂平原(Serengeti plain)牛羚迁徙壮阔,也不比日本樱花宁静优美,但同样震慑人心。

每 17 年一次,多达数十亿只的十号群从地下巢穴破土而出,在阳光下狂欢度过一生最后几天。今年这一代出生于 2004 年,想当年脸书只限哈佛大学使用,而电视系列剧《老友记》刚播出最后一集。新孵化的十号群若虫从树上落下,钻入土中,吸吮草根和树根汁液过活。漫长的蛰伏终于来到了破土而出的这一刻——它们成群结队羽化为成虫,每公顷多达约 340 万只,高唱震耳欲聋的情歌,产出下一代后,在几星期内死亡。

对来到北美洲的早期欧洲拓荒者而言,这些昆虫突然大量出现,宛若《圣经》里的蝗灾。不同于蝗虫长距离大举迁移、以铺天盖地之势大啖作物,这些蝉不结群飞行,飞行能力也颇差,移动距离通常不会超过几百米。再者,它们并不取食植物组织,对植物也不造成威胁。雌虫的确会在树枝上划出切口产卵,这或许不利于树苗,但已经成熟的大树和灌木则不受影响。

全世界有将近 3400 种的蝉,但每 17 年或 13 年大量出现的周期蝉只分布于美国东部。17 年蝉栖居于美国东北部,13 年蝉则分布于美国东南部和密西西比河谷。17 年蝉包含三个种,分别是 Magicicada septendecim、M. cassinii 和 M. septendecula,这几种蝉彼此混合形成同龄群(cohort),称「群」(brood),同一群成员精准地在同样的时间破土而出。这些群以罗马数字标示。十号群(Brood X)是 17 年蝉之中最大的一群;现生的 17 年蝉共有 12 群,而各个群会在不同的年份出现。

科学家长久以来深深着迷于这些蝉的周期生活史、漫长的发育阶段和同步羽化机制。美国康乃狄格大学的西蒙(Chris Simon)说,至今为止人类研究过的蝉,大部分的生活史都是三到五年,若虫根据遗传和环境发育速率也不同,并会在体型与发育达到一定程度时羽化。西蒙说明:一般而言同一只雌虫的子代会在不同年羽化。相对地,周期蝉待在地下的时间是固定的,不管是在何时发育完全,都会一起羽化。

究竟周期蝉如何形成这种独特的生活史,仍是一个相当活跃的研究领域。DNA 分析显示出它们大致的演化过程,周期蝉属(Magicicada)所有现生种的最后共祖约在 390 万年前的上新世(Pliocene epoch)分为两支,其中一支在过了 150 万年后的更新世(Pleistocene epoch)时再次分歧。如此形成的三个谱系衍生了七种现生的 13 年和 17 年蝉。这些蝉为什么会形成 13 年和 17 年的周期,至今依然未知。有一项假说认为,这种长时间的质数周期或许可以错开自己与天敌族群出现的时机(较为频繁,且以合数为周期),进而提高存活概率。但另有两种已知的周期蝉(一种在斐济、一种在印度),周期分别为八年和四年。

研究人员认为周期蝉应是由非周期性的蝉演化而来,以年龄而非体型做为羽化与否的依归,且发育时间延长。或许气候变迁也驱动了这种演化。周期蝉对温度敏感,生长期的长短取决于气温。更新世气温降低,平均而言应会延缓若虫的发育,不过也增加了生长期长短的多样性,这些成虫祖辈出现的时间更为多变,使得各个年份出现的成蝉族群密度降低,交配机会因此减少。在这种情况下,以体型为基础的羽化策略转为以年龄为基础,它们待在地下的时间因而延长、然后同时破土而出,增加羽化时的成虫族群密度,交配繁殖的机会也提高。

庞大数量的周期蝉同时出现,也可以扰乱掠食者。即使鸟类、哺乳类和鱼类大啖这些肥美又柔弱的蝉,还剩下许多的蝉可以繁殖下一代。

气候变迁也改变了这些周期蝉的分布。随着北美洲的冰原在过去两万年间的消长,蝉所栖息的落叶林扩张或者缩减,周期蝉群也随着变冷及变暖的循环而演化。俄亥俄州辛辛那提圣约瑟夫山大学的克里斯基(Gene Kritsky)以当地西部的十号群为例说明:两万年前,冰原延伸至今日辛辛那提的北边,而由于冰封大地没有森林,俄亥俄州西部没有蝉。然而,到了约 1 万 4000 年前,冰原退向北方。克里斯基解释:「可说是森林与周期蝉一同进入此地。」还有其他三个群栖居于俄亥俄州,每一群各有领地。他指出:「俄亥俄州 17 年蝉的分布,与冰期产生的地形吻合。」

周期蝉之所以能适应气候变迁,原因之一是生活史长度有弹性:它们能加快或减缓羽化时程多达四年,但这也不保证长期存活。十一号群于 1954 左右灭绝,其他群也都在消减。克里斯基说主因是栖地丧失。1919 年美国农业部预测,十号群最终会因森林砍伐而灭绝。

把周期蝉的动态绘制成地图,有助于评估各群状况。数十年来研究人员请大众回报目击消息,过去借由明信片,后来则是用电话和电子邮件。如今,通过克里斯基和同事新研发的一款应用程序「Cicada Safari」,大众可以上传任何一种蝉的照片和视频,也能从程序界面看到十号群出没的即时动态。克里斯基说:「美国农业部在 1902 年是根据 1000 张明信片绘制出地图。」有了今年启用的新应用程序「有望收到五万张照片」以欢送 2021 年毕业的十号群

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