图片来源：DALL·E
亿点点吵，好在不咬人。
撰文 | 黄雨佳
审校 | 冬鸢
很快，大约一万亿只周期蝉将同时出现在美国的伊利诺伊州。它们长着黑色的身体、血红色的大眼睛和橙色的翅膀，将齐声发出刺耳的尖叫，宣告生命的大和谐。
一只成年周期蝉通常体长2.5～3.8厘米，如果按照每只仅2.5厘米计算，那么将一万亿只蝉首尾相连将长达2500万千米，相当于绕地球624圈。
吵闹的“数学家”
全世界共有超过3400种蝉，其中大部分种类会在每年夏季出现，因此被称为“一年蝉”（annual cicada）。然而，有9种蝉非常特殊，它们会以4、8、13或17年为生命周期地间隔出现，被称为“周期蝉”（periodical cicada）。
目前全球已知的周期蝉共有9种，其中7种生活在北美洲，均属于周期蝉属（Magicicada），它们是13年蝉和17年蝉；生活在斐济的是8年蝉，而生活在印度东北部的是4年蝉，与4年一届的世界杯同时出现，因此又名“世界杯蝉”（World Cup cicada）。
在美国，13年蝉和17年蝉分布在不同的区域：13年蝉一般分布在美国南部和中西部，而17年蝉主要分布在美国北部。地理区域的分隔加上不同步的漫长生命周期，使得这些周期蝉会以一群一群的形式在不同年份、不同时间出现。
根据周期蝉出现的年份，昆虫学家查尔斯·莱斯特·马拉特（Charles Lester Marlatt）在1907年用1（I）到30（XXX）的罗马数字，将这些蝉命名成了不同“窝”（brood）。每一窝周期蝉都可能由单一或不同物种组成，仅仅是因时间上同步而被划分为一类。例如，17年内最多会出现17窝不同的17年蝉，因此他将1893-1909年间出现的17年蝉依次编码为I到XVII；相应地，在1893-1905年间出现的13年蝉则被继续编码为XVIII至XXX。
美国的周期蝉分布（图片来源：Andrew M. Liebhold, Michael J. Bohne, and Rebecca L. Lilja, Public domain, via Wikimedia Commons）
不过，30窝只是北美理论上可能存在的周期蝉窝数。实际上，科学家并非在所有年份都观察到了相应的17年蝉或13年蝉。而且，某些窝的周期蝉甚至已经灭绝，例如编号为XXI和XI的周期蝉分别在19世纪70年代和20世纪50年代之后就不复存在。因此，北美目前实际上只有15窝周期蝉，其中12窝是17年蝉，剩下3窝是13年蝉。
由于13年蝉和17年蝉并非年年出现，因此就会出现某些年份只有一窝周期蝉，某些年份没有周期蝉，某些年份出现两窝周期蝉的现象。由于资源有限，同一地区通常只会有一种周期的周期蝉（13年蝉或17年蝉），窝与窝之间通常不太出现重合。因此，当两窝周期蝉同时出现时，它们之间一般隔着一段距离。
但今年较为特殊，编号为XIII的17年蝉和编号为XIX的13年蝉遇到了它们的最小公倍数：221年。这两窝蝉的地理位置都位于美国伊利诺伊州的中北部，十分相近，甚至在某些小片的树林中可能存在一定重叠（特别是在斯普林菲尔德市附近）。因此，虽然伊利诺伊州的居民不太会发现家门口蝉的数量变得格外多，但他们可能会发现，在某些特定的区域，哪儿哪儿都是蝉。伊利诺伊州居民上一次见到这样的景象还是1803年，而下一次就得是2245年了。
蝉实在是一种过于喧嚣的生物，声音可能超过90分贝，已经超出了美国职业安全与健康研究所（NIOSH）规定的噪声建议暴露限值（REL）——85分贝。不过，好在它们的寿命很短，通常只有几周时间。因此，只需忍耐一个多月，伊利诺伊州的居民就会感到周围喧嚣的蝉鸣渐渐变弱，取而代之的是满地的周期蝉尸体，以及难闻的腐烂气味。
周期蝉（图片来源：University of Connecticut）
科学家也对今年这两窝周期蝉同时出现的现象很感兴趣，由于地理区域上存在一定重叠，他们猜测两窝之间可能会出现“杂交”。此前的研究认为，当13年蝉和17年蝉杂交后，并不会出现“15年蝉”这样的物种，而是会根据占主导地位的基因，产生13年蝉或17年蝉。不过，这些蝉等到下一个生命周期时会产生怎样的后代，也许会有些变化。但如果它们的后代不再是13年蝉或17年蝉，它们就无法与“大部队”保持一致，这可能会使它们更容易被天敌吃掉，因此繁衍成一个全新周期的种群恐怕还需要很长的时间。
“数学家”的一生
周期蝉的若虫（nymph）生活在地下。在黑暗的环境中，它们用口器吸食树根中的鲜美汁液，从一只小蚂蚁的大小长到几厘米。每隔13或17年的春天，当气温渐渐回升，土壤中的温度达到十七八度时，它们便会开始向地面进发。因此，不同地区周期蝉出现的时间不尽相同。
通常，在气温较高的地区，周期蝉会较早出现，例如生活在美国南卡罗来纳州的周期蝉一般在4月下旬出现；而在较为凉爽的地区，它们则出现得较晚，例如密歇根州的周期蝉可能直到6月才会出现。
破土而出的周期蝉若虫会爬上一棵附近的植被，找到一个合适的位置开始蜕皮，然后进入成虫阶段。它们会花一周左右的时间，等待自己的外骨骼变硬，从白色变为黑色。这时，它们便为寻找伴侣做好了准备。
蝉的生命周期（图片来源：图片来源：Smithsonian National Museum of Natural History）
随后，雄性周期蝉聚集在高高的、阳光照射的树枝上，发出响亮的叫声，这里是它们的“相亲角”。雄性周期蝉并非独自求偶，而是作为一个合唱团向雌性发出邀请。它们会在附近飞来飞去，同时相互交替“歌唱”，等待雌性发出的回应：她们以特定的频率快速振动翅膀，发出不同频率的声音。雄性周期蝉目睹这一切，也听到雌性“爱的呼唤”，叫得更欢了。它慢慢靠近心仪的雌性，与之一起“情歌对唱”。它们唱啊，唱啊，直到完成交配。
交配后的雌性会在树枝上产卵，一只雌蝉最多可产下600枚卵。6～10周后，这些卵又会孵化出新的若虫。此时，它们的父母早已死去，它们只能靠自己生存。于是这些若虫纷纷从树枝上落下，潜入土壤深处，像它们的父母一样，等待下一个13年或17年后的破土而出。
被扰乱的“数学家”
为何周期蝉要采用如此奇怪的繁殖方式，它们又是如何精确控制破土而出的时间呢？
与其他种类的蝉相比，周期蝉的飞行能力更差。但是，它们的密度高得惊人，最高可达每平方米370只（想象一块地板砖上落满了370只蝉的场景）。这种同时出现大量个体的策略，使得这些物种从捕食者口中幸存下来的可能性大大增加。毕竟，它们的天敌无处不在，鸟类、蜘蛛、哺乳动物等都在虎视眈眈。周期蝉选择用庞大的数量填饱天敌的肚子，而它们短暂的寿命，以及每13年或17年才出现一次的漫长生命周期，又使得这些天敌来不及大量繁殖，因此在它们下一次破土而出时，天敌的数量不会有太大变化。
为了在黑暗的环境中记录时间，周期蝉也有特殊的技巧：它们能根据树木的生长周期判断时间的流逝。每年春季，当树木开始发芽和开花时，其木质部的氨基酸含量会短暂地增加。因此，当周期蝉若虫在地下吸食树根汁液时发现了这种变化，它们就会意识到，新的一年开始了。等到它们数到13次或17次，就会起身开始新的生命旅程。
图片来源：Matt Kasson
虽然周期蝉大多数情况下会“如期而至”，但某些时候它们也可能因某些因素而“掉队”（straggling）。例如，科学家可以改变树木生长的节奏，让它在某一年发芽两次，周期蝉便会相应提前一年破土。此外，在非实验条件下，人们在2017年曾观察到，原本应该在2021年破土而出的编号为X的17年蝉提前4年破土而出，成为了13年蝉。一些人认为这可能与气候变化有关，但目前结论尚不明晰。
不过，气候变暖的确会影响周期蝉的周期，因为它们对温度十分敏感。也有一些人认为，大自然中之所以能演化出13年蝉，就是源于一场“气候冲击”。相比于17年蝉，13年蝉的形成要晚得多，因此部分科学家认为13年蝉的祖先可能就是17年蝉，只是因环境条件的突然改变才转为了13年蝉。另一些研究也表明，降水模式的改变可能影响蝉破土而出的时间。
此外，人类对土地的利用也可能改变它们的生命周期。因为周期蝉的栖息地是落叶林，这种环境为他们提供了充足的食物来源。如果一块栖息地不足0.5平方千米，它们可能就无法维系健康的种群。人类活动使得栖息地破碎化，可能会改变当地周期蝉的生活节奏，甚至让它们灭绝。
如果未来气候和环境进一步改变，这些“数学家”或许也将开始研究新课题。
参考链接：
https://www.chicagotribune.com/2024/03/13/illinois-cicadas/
https://www.zmescience.com/ecology/animals-ecology/double-cicada-brood-us-map-2024/
https://cicadas.uconn.edu/broods/
https://cicadas.uconn.edu/general_information/
https://naturalhistory.si.edu/education/teaching-resources/life-science/periodical-cicadas
https://cicadas.uconn.edu/behavior/
https://cicadas.uconn.edu/stragglers/
https://cicadas.uconn.edu/species/
https://cicadas.uconn.edu/climate-change-and-periodical-cicadas/
https://cicadas.uconn.edu/
https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2021/07/20/noise-myths-cicada/
https://www.scientificamerican.com/article/how-do-periodical-cicadas-know-when-to-emerge/
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