本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
“週期蟬是昆蟲中已知生命週期最長的。它們被稱為‘週期性’，因為在任何一個種群中，除了極小一部分之外，所有個體年齡都完全相同。若蟲吸食森林樹木根部的汁液，最終從地下鑽出，變成成蟲，交配，產卵，然後死亡，這一切都發生在每17年（或南方每13年）的同一幾周內。不止一個物種這樣做，而是三個，而且它們總是同時出現。”
——蒙特·勞埃德和亨利·S·戴巴斯，1966年
數量帶來安全，或者至少，數量帶來生存。這就是週期蟬賴以生存的格言。
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週期蟬——Magicicada屬的昆蟲——是非凡的生物。它們在地下極其緩慢地發育，然後在13年或17年間隔後成群結隊地湧出地面，此時地溫達到華氏64度。正如上面的題詞所述，它們迅速交配、產卵並死亡，然後從視野中消失，直到它們的後代在十多年後爬出地面。
今年的蟬爆發已被廣泛報道，但事實上，週期蟬在大多數年份都會出現繁殖：有15個不同的地理“族群”的週期蟬，每個族群都有自己同步的生命週期。今年，第二族群——從北卡羅來納州延伸到紐約州和康涅狄格州——自1996年以來首次出現。與此同時，其他14個族群正在地下成熟，等待它們的光輝時刻。
生存之道
週期蟬僅在美國東部的森林中被發現。（其他更常見的非週期蟬物種出現頻率更高，地點也更多。）Magicicada屬包括七個物種：美國北部的三個17年蟬和南部的四個13年蟬。這些物種更廣泛地分為三個組：decula、cassini和decim。對於每個組，都存在一個13年和17年的物種——例如，13年的Magicicada tredecula和17年的Magicicada septendecula——除了它們的壽命和地理範圍外，幾乎沒有區別。令人驚訝的是，一個族群通常包含多個物種，它們作為若蟲彼此並排生長，並在同一時間從地下湧出，但不會雜交。上面的影片展示了物種之間細微的視覺差異，以及它們各自求偶叫聲之間更為顯著的差異。
同步的生命週期為Magicicada帶來了巨大的好處：當所有昆蟲同時出現時，它們的捕食者，只能吃掉這麼多，在整個種群被消耗殆盡之前就會飽腹。這是一種蠻力生存策略——類似於在人數眾多的情況下，手無寸鐵地衝鋒堡壘——但它奏效了。
週期蟬漫長的生命週期幾十年來一直讓昆蟲學家著迷。正如密歇根大學安娜堡分校的理查德·D·亞歷山大和托馬斯·E·摩爾在1962年所說
它們令人難以置信的能力是在地下度過了13年或17年作為沉默、穴居、獨居、久坐不動的幼蟲之後，在短短幾個小時內，數百萬地聚整合為嘈雜、飛行、群居、向光的成蟲，這在動物王國中是無與倫比的。
多年來，研究人員一直在試圖解釋Magicicada生命週期是如何發展的，為什麼它們如此漫長，以及為什麼它們都是質數。
為什麼如此緩慢？
Magicicada壽命的顯著延長可能追溯到大約20,000年前的最後一個冰期。當時的寒冷條件可能只是減緩了蟬的生長和發育——正如日本靜岡大學的吉村晉在1997年提出的那樣——從而將原本較短的壽命延長到現在存在的長生命週期。（與北方相比，南方較溫暖的地溫使蟬能夠更快地發育，這可能是它們較短的13年生命週期的原因。）
或者，昆蟲可能透過延長其生命週期來適應冰期生活，從而限制在異常寒冷的年份出現的可能性，而這種年份會阻止交配。正如孟菲斯大學的蘭德爾·湯姆·考克斯和路易斯安那州立大學的C·E·卡爾頓在1988年提出的那樣，Magicicada祖先的壽命可能“逐漸增加到類似於今天觀察到的長度，作為冰期階段的適應性策略，在冰期階段，每年的最高氣溫可能偶爾達不到飛行和交配的關鍵水平……若蟲生命週期越長，在寒冷的夏季出現的可能性就越小。”這種效應在較寒冷的氣候中最為強烈，這也解釋了北方Magicicada物種較長的17年壽命。
質數取得成功
如果寒冷的氣候迫使蟬發展出漫長的壽命，那麼這些昆蟲可能從最後一個冰期中湧現出來，並具有一系列生命週期，可能範圍從12年到20年不等。最終，其中兩個生命週期，13年和17年，勝出。
倖存的週期蟬的生命週期建立在質數之上這一事實可能賦予了關鍵的生存優勢。質數生命週期意味著捕食者無法將其自身較短的生命週期與蟬獵物的可用性相匹配。例如，如果蟬的生命週期是偶數，那麼具有兩年生命週期的捕食者可以期待蟬的盛宴，以及隨後的種群數量激增，每隔幾代就會發生一次，因為所有偶數都可以被2整除。正如智利大學和德國馬克斯·普朗克分子生理學研究所的三位研究人員在2001年解釋的那樣，“具有12年週期的獵物每次出現時都會遇到每1、2、3、4、6或12年出現的適當同步的捕食者，而具有13年週期的突變體則具有捕食者更少的優勢。”質數當然仍然可以被自身和1整除，但它們沒有其他除數。
另一方面，質數壽命可能與不同蟬物種之間的週期性重疊有關，而不是蟬與其捕食者之間的重疊。Magicicada的兩個質數生命週期確保了非同步族群在其地理範圍重疊的地方很少相互作用——13年週期和17年週期僅每221年匹配一次。這些罕見的相遇可能賦予了防止兩組交配和產生雜交後代的優勢。正如考克斯和卡爾頓在2003年寫道，“生命週期長度不同的兩個種群的雜交蟬將遭受更大的捕食損失，因為許多蟬可能會在主要種群之前或之後的年份出現。具有質數週期（13年和17年）的蟬的雜交頻率將遠低於具有非質數（合數）週期的蟬，因此將具有更大的爆發規模和更大的捕食者飽和優勢。”
最近，在《美國國家科學院院刊》(PNAS) 上發表的一項研究中，日本和美國的研究人員部署了遺傳證據來支援另一種模型：週期蟬只是從一個生命週期跳躍到另一個生命週期。“它們是時間旅行者，”該研究的合著者，康涅狄格大學的克里斯·西蒙說。“它們的生命週期經歷了四年加速或減速。如果你去一個17年蟬出現的地方，你會發現很多蟬提前四年出來。”一些落後者也會晚四年出現。
考慮到Magicicada的種群足夠大，提前四年出現的昆蟲可以形成一個足夠多的群體來躲避捕食，從而衍生出它們自己在新的生命週期中的種群。四年是一個關鍵的偏移量——間隔小於四年的種群似乎無法在同一地點共存，這可能是因為地下生長的若蟲之間對資源的激烈競爭。
西蒙和她的同事認為，一旦13年族群成功地從17年族群中分離出來，反之亦然，那麼新的種群將充當“保育族群”，保護入侵的蟬種群——前提是入侵者也適應了新的生命週期。“自然選擇本應促進入侵種群與常駐種群的同步，因為入侵者將獲得捕食保護，並因此避免艾利效應（由於種群密度低而導致無法繁殖），”研究人員提出。在那種情況下，兩個生命週期之間的四年差距可能比兩者都是質數這一事實更重要。西蒙說：“很難說13和17是否是偶然事件，或者它是否具有優勢。”
隨著第二族群迎來期待已久的21世紀首秀，西蒙和她的同事們正在野外研究這些獨特的昆蟲，並努力揭示其極端行為的基礎。她指出，任何在蟬族群附近的人都可以透過向magicicada.org報告蟬的目擊事件來幫助這項正在進行的研究，這是一個由她的康涅狄格大學同事和PNAS研究合著者約翰·庫利運營的網站。
現在，為了您的觀看樂趣，以下是未來幾百年週期蟬的預計爆發時間