此時此刻，在美國東部的後院和森林中，一場自然界最壯觀的景象正在上演。雖然它可能缺乏塞倫蓋蒂草原上角馬遷徙的史詩般宏偉，或日本櫻花季的寧靜之美，但這一事件同樣令人歎為觀止。我說的正是 Brood X 週期蟬的出現。
每隔 17 年，Brood X 數十億的成員就會從它們的地下巢穴中鑽出來，度過它們最後的幾天，在陽光下狂歡。這一代始於 2004 年，當時 Facebook 僅在哈佛大學存在，而《老友記》播出了最後一集。新孵化的蟬若蟲從樹上掉下來，鑽入泥土中。從那時起，它們一直生活在地下，以草和樹木的細根中的汁液為食，並緩慢成熟。所有這些準備工作都是為了這一刻，當它們成群結隊地出現時——每英畝多達 140 萬隻蟬——蛻變成成蟲形態，唱著震耳欲聾的情歌，並在僅僅幾周後死亡之前產生下一代。
對於早期的北美歐洲殖民者來說，這些昆蟲突然大量出現讓他們想起了聖經中臭名昭著的蝗蟲。但蝗蟲是形成巨大蝗群並長途跋涉、大規模吞噬莊稼的蚱蜢，而蟬則屬於完全不同的昆蟲綱。它們不結群，飛行能力差，通常飛行距離不超過數百英尺。此外，它們對植物的威脅很小，因為它們不吃植物組織。雌性確實會在樹枝上切開口子產卵，這會削弱幼樹，但不會影響成熟的樹木和灌木。
全世界存在近 3,400 種蟬。但週期性蟬，即每 17 年或 13 年大規模出現一次的蟬，是美國東部特有的。17 年蟬生活在北方，13 年蟬則分佈在南方和密西西比河谷。17 年蟬的三個物種——Magicicada septendecim、M. cassinii 和 M. septendecula——形成了混合物種的群體，稱為蟲群，它們的成員像鐘錶一樣按相同的計劃出現。這些蟲群用羅馬數字標識。Brood X 是 12 個 17 年蟬蟲群中最大的一個，它們在不同的年份出現。
圖片來源：丹尼爾·P·霍夫曼 (Daniel P. Huffman) 和約翰·庫利 (John Cooley)
圖片來源：謝麗·辛嫩 (Cherie Sinnen)
這些蟬的週期性生命週期，包括它們漫長的發育階段和同步出現，長期以來一直吸引著科學家。康涅狄格大學的克里斯·西蒙 (Chris Simon) 說，迄今為止研究的大多數其他蟬的生命週期為三到五年。它們的若蟲生長速度因遺傳和環境因素而異，並且一旦達到一定的體型和發育水平，就會從地下出來。她解釋說，因此，任何一隻雌蟬的後代都會在不同的年份出現。相比之下，週期性蟬會在地下停留固定的時間，無論它們何時達到完全大小，然後一起出現。
圖片來源：謝麗·辛嫩 (Cherie Sinnen)；顧問：吉恩·克里茨基 (Gene Kritsky)，《週期蟬：Brood X 版》(2021) 的作者
週期性蟬究竟是如何形成這些獨特的生命史模式的，是當前活躍的研究領域。DNA 分析表明了它們進化的近似時間線。所有現存 Magicicada 物種的最後共同祖先在大約 390 萬年前的上新世時期分化為兩個譜系。其中一個分支本身在 150 萬年後，也就是更新世時期再次分化。由此產生的三個譜系最終產生了現今存活的七個 13 年和 17 年蟬物種。這些蟬為何選擇了 13 年和 17 年的週期尚不清楚。一種假說認為，擁有較長的質數週期可能會提高它們的生存機率，因為這可以使它們的出現時間與更頻繁且週期為合數的捕食者種群高峰期錯開。但另外兩種已知的週期性蟬——一種在斐濟，另一種在印度——分別以 8 年和 4 年的間隔出現。
研究人員提出，週期性蟬是透過將基於大小的出現時間表換成基於年齡的時間表並延長髮育期，從非週期性蟬進化而來的。氣候變化可能推動了這種轉變。週期性蟬對溫度敏感——溫度決定了生長季的長度。在更新世時期，氣溫下降會平均減緩幼蟬的發育速度，但會增加生長期的變化，使得祖先蟬成蟲的出現時間比以前更加多變。由於任何一年出現的成蟬密度降低，交配機會也會減少。在這種情況下，從基於大小的出現策略轉變為基於年齡的策略，即昆蟲在地下停留很長時間，然後同時出現，將增加出現時的成蟲種群密度，從而增加它們尋找配偶和繁殖的機會。
同時大量出現也壓倒了捕食者。因此，即使在鳥類、哺乳動物和魚類飽餐了肥胖、毫無防禦能力的昆蟲之後，仍然有大量的蟬留下來繁殖下一代。
氣候變化也塑造了蟲群的分佈。隨著北美冰蓋在過去 20,000 年中的前進和後退，蟬棲息的落葉林也隨之萎縮和擴張。蟲群的進化是為了應對這些冷暖迴圈。辛辛那提聖約瑟夫山大學的吉恩·克里茨基 (Gene Kritsky) 指出了他所在州西部地區的 Brood X 就是一個例子。兩萬年前，冰蓋延伸到今天辛辛那提以北的地方。由於當時陸地被冰雪覆蓋，俄亥俄州西部沒有森林，因此也沒有蟬。然而，大約在 14,000 年前，冰蓋向北退去。“森林出現了，週期性蟬也隨之而來，”克里茨基解釋說。俄亥俄州還有其他三個 17 年蟬蟲群，每個蟲群都佔據該州自己的區域。“俄亥俄州 17 年蟬的分佈與冰河時代形成的地理區域相匹配，”他觀察到。
週期性蟬能夠適應氣候變化，部分原因是它們的生命週期長度具有一定的可塑性：它們可以以四年為增量加速或減速它們的出現時間表。但這種靈活性並不能保證它們的長期生存。Brood XI 自 1954 年左右就已經滅絕；其他蟲群正在衰落。克里茨基說，主要的威脅是棲息地喪失。1919 年，美國農業部預測 Brood X 將因森林砍伐而滅絕。
繪製週期性蟬出現的地圖有助於科學家衡量蟲群的狀況。幾十年來，研究人員一直要求公眾報告目擊事件——早年透過明信片，後來透過電話和電子郵件。現在，他們正在使用克里茨基和他的同事開發的一款名為 Cicada Safari 的應用程式來眾包資料，該應用程式允許人們提交他們遇到的任何蟬的圖片和影片，並即時檢視 Brood X 出現的地圖。“1902 年，美國農業部繪製地圖的基礎僅僅是收到的不到 1,000 張明信片，”克里茨基說。今年，透過該應用程式，“我們希望獲得 50,000 張照片。” 這是對 2021 屆 Brood X 的恰如其分的送別。