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
紅眼周期蟬每13年或17年出現一次，但找出原因可能需要數千年
在“科學難以解決？”中，我採訪了科學家，瞭解他們渴望探索但認為無法研究的想法。例如，它們可能涉及超出可能性的機器，例如像太陽一樣大的粒子加速器，或者它們可能完全不道德，例如涉及人類的致命實驗。這個專題旨在探討不可能的夢想，科學中看似棘手的問題。然而，“科學難以解決？”末尾的問號表明，沒有什麼是不可能的。
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博拉·齊夫科維奇，《大眾科學》部落格網路的編輯和時間生物學家。
想法： 現在，就在我居住的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、聽起來不祥的聲音——通常被描述為“恐怖電影配樂”——來自社群周圍的樹林，”他說。“
蟬出現了！”
這些不是每年都會重新出現的綠眼年度蟬，而是
每13年或17年重新出現的紅眼週期蟬，這個特定的種群，XIX 種群，以 13 年為週期再次出現。它們同時出現，以成蟲身份生活幾周，爬上樹，鳴叫，交配，產卵，然後死亡。當卵孵化時，幼蟲從樹上掉到地上，挖入地下，抓住樹根，等待 13 年或 17 年再次出現。
“我一生都在等待這一刻，”齊夫科維奇說。“我之前沒有注意，所以我不知道它們
計劃今年在我所在地區出現。幸運的是，一旦它們出現，蟬就會出現幾周。” 因此，儘管他旅行日程繁忙，但他還是設法拍攝了一些照片和短影片。
對於像齊夫科維奇這樣的時間生物學家來說，他們研究
驅動每個生物體的週期，週期蟬提出了引人入勝的謎題。“它們是如何數到 13 或 17 的？”他問道。“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 年只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？”他補充說，也許這些週期是兩個或多個生物鐘之間相互作用的結果，或者對同一物種的其他成員在成熟昆蟲挖掘到地表時發出的聲音敏感。
它們選擇 13 或 17 有什麼原因嗎？“關於週期蟬為何每 13 年或 17 年出現一次，有很多假設和推測，包括一些關注這兩個數字是
質數（pdf）這一事實，”他指出。“也許這是一種愚弄捕食者的方式，使它們無法進化出相同的週期性。但是捕食者仍然存在，並且很樂意吞食這些手無寸鐵的昆蟲，無論它們何時出現，即使這可能對它們不利。”
他補充說，也許週期的精確長度有助於將物種分開，從而降低最近分裂的姐妹物種之間雜交的風險。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 年出現的“姐妹物種”——M.tredecim、M. tredecassini 和 M.tredecula ——最近的物種分裂產生了另一個 13 年物種 M. neotredecim。物種之間在形態和顏色上存在
差異，但姐妹物種對在物理上基本無法區分——它們僅在第五幼蟲階段的持續時間上有所不同。M. tredecim 和 M. neotredecim 確實在同一時間和地點出現，但它們的歌聲音調不同，M.neotredecim 的歌聲音調更高。
齊夫科維奇說，也許週期的長度沒有特定的適應性目的，“而質數週期的奇怪之處在於觀察者，即人類的眼中”。他很想解開這個謎團——“這是一件會引起你注意的事情，”他說。
問題： 分析持續十年以上的生物節律是一項非凡的挑戰。“這些實驗將持續數百年，甚至數千年，”齊夫科維奇說。“哪個資助機構會資助它們？為什麼有人會在明知結果不會在自己一生中知道的情況下開始這樣的實驗呢？”
即使分析生物體中相對較短的日常（晝夜節律）節律也通常需要很長時間。例如，當研究行為的日常週期如何
同步到環境週期時，例如白天和黑夜的光暗週期，“每個資料點都需要幾周時間——測量環境線索的脈衝或一系列脈衝之前和之後的振盪週期和相位，以便了解在週期的特定相位應用該線索如何影響生物節律，”齊夫科維奇說。“它需要許多資料點，從許多個體生物體收集，並且自始至終都需要將生物體保持在恆定條件下——甚至不允許光、溫度、氣壓等方面的最輕微波動。”
齊夫科維奇說：“毫不奇怪，這些型別的實驗雖然有時應用於較短的週期——例如，毫秒級的大腦週期——但很少應用於長於一天的生物節律——例如，作為對潮汐、月球和年度環境週期的適應而進化的節律。”“它需要比通常的五年資助期更長的時間才能完成，而且一些實驗可能會持續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。”
此外，研究生物節律的標準實驗將要求科學家將蟬帶入實驗室，“這真的很難做到，”齊夫科維奇說。“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汁液。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，蟬可能會從樹液中吸收這些節律作為時間線索。”
此外，科學家們不知道哪些環境線索可能與這些週期相關——也許是光照，或溫度，或它們賴以生存的樹液中的化學物質——“我們將不得不同時測試所有這些線索，希望至少其中一種被證明是正確的。”
解決方案？ “一種顯而易見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，”齊夫科維奇說。也許研究人員可以對蟬基因組進行測序，並弄清楚每個基因的作用，以找出它們如何調節時間，例如透過將它們的基因插入其他昆蟲並觀察其影響。“這可能無法回答我們所有的問題，但可能已經足夠好了，”他說。
“另一種方法是為這些實驗留出空間和資金，並將它們置於不尋常的管理框架中——由一個組織指導的縱向研究，而不是單個研究人員獲得資助在他的實驗室中進行這項研究，”他推測。“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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照片由博拉·齊夫科維奇拍攝
更多背景資料：蟬，或者我如何成為一名科學家，或者對良好編輯的演示
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關於作者：查爾斯·Q·崔是《大眾科學》的常駐撰稿人。他的作品也曾出現在《紐約時報》、《科學》、《自然》、《連線》和《生活科學》等刊物上。在他的業餘時間，他遊歷了七大洲。在 Twitter 上關注他@cqchoi。
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