本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
最初發表於2011年5月16日在我的舊部落格上。
Charles Q. Choi 在《大眾科學》的客座部落格上主持一個雙週系列專欄 - “對科學來說太難了嗎？” 在這些帖子中，他詢問科學家們出於各種原因無法或不應進行的實驗，儘管如果這些實驗能夠完成，將會既有趣又有資訊量。
在他的一篇文章中，他採訪了我。我提出的想法，靈感來自於我家附近週期蟬的出現，是將傳統的晝夜節律實驗應用於更長的13年或17年週期。
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幸運的是，Charles是一位優秀的編輯。他將我的長篇大論變成了一篇非常好的部落格文章。在此閱讀他的優雅版本 - 對科學來說太難了嗎？Bora Zivkovic——用幾個世紀來解開蟬的秘密。
現在將它與我傳送給他的原始文字進行比較，就在這裡釋出
科學家：Bora Zivkovic，《大眾科學》的部落格編輯，以及一位時間生物學家。
想法：生物體中的一切都在迴圈。有些過程在毫秒內重複，另一些在秒、分鐘或小時內重複，還有一些在天、月或年內重複。科學研究最多、理解最透徹的生物節律是那些大約每天重複一次的節律——晝夜節律。
每日節律之所以被最好地理解的原因之一是，該領域的先驅們提出了“生物鐘”的比喻，這反過來又促使他們將物理學中的振盪器理論（你在學校學到的關於單擺的知識）應用於生物學。
雖然時鐘比喻有時會失效，但它一直是這一研究領域中一個令人驚訝的有用且強大的想法。晝夜節律研究人員提出了各種實驗方案來研究每日節律如何被同步（同步化）到環境週期（通常是白天和夜晚的光暗週期），以及生物體如何使用其內部時鐘來測量其他相關的環境引數，特別是日長的變化（光週期）——它們利用這些資訊來精確地測量一年中的時間，從而在適當的季節進行遷徙、換羽或交配。
這類實驗——例如，針對各種環境線索構建相位響應曲線，或針對光週期現象的各種測試（夜間中斷方案、骨架光週期、共振週期、T-週期、Nanda-Hamner 方案等）——需要很長時間才能完成。
每個資料點都需要數週時間：測量環境線索脈衝（或一系列脈衝）前後振盪的週期和相位，以瞭解在週期的特定相位應用該線索如何影響生物節律（或測量日長的結果，例如，生殖反應）。這需要許多資料點，從許多個體生物體收集。
而且在整個過程中，生物體需要保持在恆定條件下：甚至不允許光線（通常是恆定黑暗）、溫度、氣壓等方面的最輕微波動。
毫不奇怪，這類實驗雖然有時應用於較短的週期（例如，毫秒級的腦週期），但很少應用於長於一天的生物節律，例如，那些作為對潮汐、月球和年度環境週期適應而進化的節律。它將需要比通常的五年資助期更長的時間來完成，而且有些實驗可能會持續一位研究人員的整個職業生涯。這也是我們對這些生物節律知之甚少的原因之一。
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我住在鄉下，在南方，就在北卡羅來納州教堂山郊外，每天我開啟門都會聽到震耳欲聾且聽起來不祥的噪音（通常被描述為“恐怖電影配樂”），從圍繞著社群的樹林中傳來。蟬出現了！是13年週期蟬。第XIX族。
我之前沒有注意，所以我不知道它們計劃今年在我這片林區出現。上週的一個早上，我在後門廊看到一隻蟬，注意到紅色的眼睛！一個容易記住的經驗法則：綠色的眼睛 = 年度蟬，紅色的眼睛 = 週期蟬。我感到興奮！我一生都在等待這一刻！
幸運的是，一旦它們出現，蟬就會出來活動幾周，因此我繁忙的旅行日程並沒有阻止我去尋找它們（只需跟隨聲音），拍一些照片和短影片。
有三種週期蟬每17年出現一次——Magicicada septendecim、Magicicada cassini 和 Magicicada septendecula。這些物種中的每一種都有一個每13年出現一次的“姐妹物種”：M.tredecim、M. tredecassini 和 M.tredecula。一個較新的物種分裂產生了另一個13年物種：Magicicada neotredecim。物種在形態和顏色上有所不同，而13年和17年的姐妹物種對基本上彼此無法區分。M.tredecim 和 M.neotredecim，由於它們在相同的時間和地點出現，它們的歌曲音調有所不同：M.neotredecim 唱更高的音調。
那麼，它們是如何數到 13 或 17 的呢？
在地下時，它們經歷四次變態，因此經歷五個幼蟲齡期。13年和17年蟬的區別僅在於第五齡期的持續時間。它們同時出現，以成蟲身份存活幾周，爬到樹上，唱歌，交配，產卵然後死亡。
當卵孵化時，新出現的幼蟲從樹上掉到地上，將自己挖得更深，抓住樹根以吸食樹液，並等待另外13或17年再次出現。
關於週期蟬為什麼每13或17年出現一次，有許多假設（和推測），包括一些著眼於這兩個數字是質數這一事實（pdf）。
也許這是一種欺騙捕食者的方式，使捕食者無法進化出相同的週期性（但無論如何捕食者都在那裡，並且很樂意在這些毫無防禦能力的昆蟲出現時吞食它們，即使這可能對它們不利）。也許這是一種物種形成機制，降低了最近分裂的姐妹物種之間雜交的風險？
或者，也許這都只是粗糙的適應主義思維，而質數週期的奇怪之處在於觀察者的眼中——人類！畢竟，如果一種昆蟲每年都出現，那就沒什麼令人興奮的。許多種年度蟬每年都這樣做，這似乎對它們來說是一種完全適應的策略。但是，如果一種昆蟲，尤其是如此巨大、嘈雜和數量眾多的昆蟲，非常罕見地出現，那麼這是一個會引起您注意的事件。
也許我們對它們的迷戀是由於它們的地理分佈。年度蟬也可能具有很長的發育時間，但它們的所有種群都在一個地方，因此昆蟲每年都會出現。在週期蟬中，不同的種群出現在該國不同的地區，這使得它們在每個地理位置的出現都變得罕見和不尋常。
無論如何，我更感興趣的是它們計時的精確性，而不是對其潛在的適應性解釋。它們是如何做到如此精確的？這僅僅是它們發育生物學的副產品嗎？13年或17年僅僅是五個幼蟲階段持續時間的簡單相加嗎？
或者我們應該將這個週期視為某種“時鐘”（或“日曆”）的輸出？或者，也許是兩個或多個生物鐘之間相互作用的結果，類似於光週期現象？在這種情況下，我們應該使用晝夜節律研究的實驗方案，並將它們應用於蟬的週期。
最後，有可能漫長的發育週期是由一種計時機制驅動的，但最後一年的出現同步是由另一種機制驅動的，也許是某種時鐘，它可能對同種昆蟲開始向上挖掘到地面時發出的聲音敏感。
問題：為了應用標準實驗（如構建相位響應曲線或 T 週期），我們需要將蟬帶到實驗室。這真的很難做到。飼養一直是研究這些昆蟲的一個大問題，這就是為什麼幾乎所有的研究都是在野外進行的。
當在實驗室中飼養時，餵養它們的唯一方法是為它們提供樹木，以便它們可以從樹根中吸取樹液。這使得將它們保持在恆定條件下變得不可能——樹木需要光照，並且會有自己的節律，蟬可能會從樹液中獲取這些節律作為計時線索。因此，我們需要做的第一件事是找到一種人工餵養它們的方法，而無需依賴活樹作為食物。
此外，我們不知道哪些環境線索是相關的。是光週期？光照週期？還是樹液中迴圈的東西？還是溫度週期？發育激素（如保幼激素或蛻皮激素）的作用是什麼？我們將不得不同時測試所有這些因素，希望其中至少有一個被證明是正確的。
第二個更明顯的問題是時間。這些實驗將持續數百年，甚至數千年！一些實驗依賴於先前實驗的結果來正確設計。誰會做這些實驗？哪個資助機構會資助它們？為什麼有人會在明知結果在一生中都無法得知的情況下開始這樣的實驗？這對科學家的好奇心來說難道不是太誘人了嗎？
解決方案？一個明顯的解決方案是找到在更短的時間範圍內獲得相同答案的方法。也許透過對基因組進行測序並弄清楚每個基因的作用（也許透過檢視其他物種（如果蠅）中的等效基因，或將它們插入果蠅並觀察其影響），希望找出時間是如何調節的。這可能無法回答我們所有的問題，但可能已經足夠好了。
另一種方法是為這類實驗留出空間和資金，並將它們置於一個不尋常的行政框架中——由一個組織指導的縱向研究，而不是由單個研究人員獲得資助在其實驗室中進行這項研究。這樣，這項工作可能會完成，論文可能會在公元2835年左右發表。
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明白了嗎？我的文字有多長和多複雜？現在回到Charles 的帖子，再次看看他是如何出色地編輯這個故事的。