221年一相遇！這兩種周期蟬演繹動物界的「白娘子與許仙」

白素貞等待了千年才與許仙斷橋相會，可見緣分雖然妙不可言，卻也可遇不可求。

世界上有兩種蟬，一種每13年出現一次，一種每17年出現一次。接下來請聽好這道五年級奧數題：17年蟬和13年蟬要間隔多少年才會相遇一次？相信兩個質數最小公倍數的求法大家還是沒忘記的，答案是221年！簡直久到白素貞都快成仙了！

不過，接下來這道題就有點超綱了，它們在221年一次的相遇中，會不會做一些羞羞的不可描述的事情？這個問題的答案最近還真被科學家揭開了。

什麼是周期蟬？13年或17年一循環

蟬是中國老百姓非常熟悉的昆蟲之一，特別是在北京以南的很多地區，每年盛夏總會有無數蟬附著在高大的喬木之上，製造刺耳的鳴響。蟬生命中的大部分時期是生活在地下的幼蟲狀態，幼蟲以樹根汁液為食，逐漸發育成長，在生命的最後一個月左右鑽出地表羽化為成蟲。之後，傳宗接代就成為他們唯一的目標：雄蟬依靠腹部的發聲器官——鼓室製造出高達100分貝的聲響，以此吸引雌蟬前來交配。

目前記錄在案的蟬已經有將近3000種，其中絕大部分種類的生長周期都在1到5年。以北方常見的油蟬（俗稱知了）為例，0齡幼蟲在產卵後的初年卵內越冬，第二年6月孵化完成，成為1齡幼蟲，此時身體大部分器官都已發育成型。1齡幼蟲潛入地下，蟄伏5年，經過4次蛻皮後在第六年夏天鑽出地表。

不過，在北美的很多地區，一些特定種群蟬的生長周期非常長，以13年或17年為一個循環，因此被稱為周期蟬。它們的幼蟲在地下蟄伏13或17年後，同種蟬的若蟲同時破土而出，在4到6周內完成羽化、交配、產卵、隨即死亡，從卵中孵化的幼蟲再鑽入地下，開始一個新的生命循環。

周期蟬的生命歷程，來源：參考文獻6

從基因角度進行的遺傳學分析表明，這兩種蟬大約是180萬年前從同一祖先分化出來的。目前，13年蟬主要分布在美國東南部的幾個地區，分為3個亞種，現存3個種群。17年蟬則主要分布在紐約周圍等東北部地區，分為4個亞種，現存12個種群。一直以來，除了定期大爆髮帶來的衝擊感，周期蟬的種種謎團都令科學家費解。

周期蟬現存的15個種群

它們的生命周期為何如此之長？13和17這樣的質數周期真的是偶然為之？

科學家認為，周期蟬的生命周期如此之長是基於兩大考慮：

首先，周期蟬這個物種誕生早期，北美大陸的夏天要比現在寒冷，偶爾會出現連續兩三年的冷夏。如果周期蟬採用兩三年的短生命周期，很可能會接連經歷幾次冷夏，進而遭到團滅，這對種群的存續會造成不小的威脅。而採用長周期則可以避免出現這樣的問題，提高種群的存活率。

事實上，曾經可能存在的情況是，當年周期沒有這麼長的兄弟種群都被凍死了，特別是17年蟬生活的緯度更高，因此需要蟄伏的時間也稍長一點。更長的蟄伏時間也令17年蟬擁有更好的發育狀況，進而具有更多的營養來進行生殖。有證據表明，17年蟬的產卵能力要高於13年蟬。

2013到2015年間周期蟬的出現情況，來源：參考文獻6

此外，很多種寄生蟲都是蟬的天敵，它們的生命周期大多為3到4年。如果周期蟬採用短周期，每3、4年就可能遭遇一次天敵的侵襲，這同樣是非常不利的。對於一切昆蟲的天敵鳥類來說，雖然每17年就能趕上一次真正的饕餮盛宴，但是由於瞬時數量太過龐大，鳥類也無法有效抑制蟬的數量。據報道，每次周期蟬大爆發時，種群總數量可以達到60億之巨，這樣龐大的種群集中在相對狹小的限定地域內，當地的鳥類是絕不可能完全消化的。

周期蟬大爆發，成蟲和若蟲羽化時蛻去的殼混雜在一起，來源：網路

有趣的是，由於從來沒有逃避天敵捕食的概念，周期蟬的字典中是沒有恐懼兩個字的。小鳥即便已經吃掉了旁邊的兄弟，周期蟬也是照樣該吃吃該喝喝，絕不逃跑認慫。給人一種生死有命富貴在天的感覺，頗為佛系。

質數周期同樣與逃避寄生蟲天敵有關，如果是12年為周期，很可能頻繁地與3年和4年發生的寄生蟲相遇（當然還有2年生），13年周期的話，則分別39年或者52年才會遇到一次，極大提高成活率。

13年蟬和17年蟬會種間雜交？有這種可能！

科學界一直認為，13年蟬和17年蟬之間是不會發生雜交的，即便是它們同時相遇的年份，也不會對彼此產生興趣。然而，一項4月19號發表在Nature集團旗下新刊物《Communications Biology》的論文表明，科學家們在基因層面上發現了兩種周期蟬進行過雜交的證據。之前，科學家們一度認為這兩種蟬之間是不會發生交配行為的。科學家們分析，在同一地區棲息的兩種周期蟬，每221年一次的相遇是有可能造成種間雜交的。此外，不排除極少數不太合群的個體沒有遵循13或者17這樣的規律，提前或者拖後出土羽化，與異族不期而遇之後發生不可描述的行為。

可能有些愛操心的讀者會問，雜交會不會影響後代的周期性？假如周期發生了錯亂，後代在與大部隊不同的年份鑽出地表，豈不是只能註定孤獨終老？

不用擔心，科學家們發現，雜交並沒有讓後代周期蟬的生長周期發生異常，仍然是13或者17年，並且這種周期性在經歷10萬年到20萬年的跨度後仍然可以保持。

根據論文中的推測，周期蟬的生長周期很可能由尚未定位的遺傳基因進行調控。雜交後基因仍然由子代繼承，遵循與親代類似的周期規律。至於雜交後子代的周期是隨爹還是隨媽，論文中並沒有明確結論……今後，研究小組的目標將是解析周期蟬的基因組，並在此基礎上釐清與周期調控相關的奧秘。

周期蟬怎麼知道啥時候鑽出地面？

還有一個未解之謎，同一種群周期蟬鑽出地面的時間控制機制是怎樣的？它們如何計算年份？

有科學家認為，周期蟬是通過計算冬眠的次數來獲知應該什麼時候鑽出地面的。每年冬天，地下的蟬幼蟲會按時冬眠，經過一定年數後，就會破土而出。

2004年Brood X大爆發時的景象，地面布滿17年蟬鑽出後留下的小孔，來源：見水印

加州大學戴維斯分校的Karban教授對此有不同見解，他認為周期蟬的幼蟲在地下吸食樹根汁液時可以感受到樹齡的變化。他利用一株經過基因工程改造的桃樹完成了一個有趣的實驗，正常的桃樹一年開一次花結果一次，這株桃樹卻可以一年開花兩次。將地下採集到的正常發育的周期蟬移到這株桃樹的樹根後，周期蟬在一年時間內完成了兩年的發育歷程。

然而，這兩種解釋也僅僅是將單位精確到了年而已，但周期蟬鑽出土地的時間點卻是高度統一的，僅僅只有幾天時間。Karban教授曾經對蟄伏於地下的周期蟬進行過系列挖掘，他發現，實際上地下的發育過程存在明顯的進度差異，但令人驚奇的是，發育進度提前的個體們會等候整個群體中的後進者也完成發育，才開始鑽出地表。也就是說，周期蟬們在等待某個信號。那麼，信號到底是什麼呢？科學家們目前仍然不清楚，比較流行的假設是土壤溫度。

周期蟬證件照，來源：維基百科

為什麼周期蟬只生息在北美大陸？

小編認為，山東地區不少吃瓜群眾對這個問題應該有獨到見解。遙想數千年前，齊魯大地誕生了中國較早的農業文明，大家刀耕火種、齊心協力建設美好家園。可是古代畢竟生產力水平不高，收成一般，大家日子過的很辛苦……結果十幾年一次，天降祥瑞，過年吃餃子，一吃一個月，吃不完打包外帶，燒烤、油炸、風乾……。周期蟬錯誤地選擇了Hard模式，經過了幾代人的努力，周期蟬也就永遠地消失在中華民族悠悠五千年的歷史長河中了……（本段文字純屬瞎掰，這個問題目前還沒有科學解釋）。

齊魯名菜，油炸知了猴兒，來源：網路

曾經有一句流傳甚廣的古風金句，「用我三生煙火換你一世迷離」。周期蟬的生命，雖有太多的時間陷在塵泥，卻終在生命的盡頭衝出幽暗的地底，奔向無限的光明。221年一次的相遇，周期蟬的世界又何嘗不是這樣的三生三世，乃至生生世世？

參考文獻

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

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