“居高声自远”的蝉，一生绝大部分时间都在沉默中度过。今年5月前后，美国东部数以亿计的蝉将破土而出，上次这样的喧嚣还是十七年前。
撰文/记者 丁林 新媒体编辑/陈炫之
“池塘边的榕树上，知了在声声叫着夏天。”在每年暑期的烈日下，动物们纷纷没了踪影，唯有蝉在树上高唱，成为夏日独特的背景音。
蝉科动物俗称知了、蛭蟟、季鸟等，全世界已知的蝉科动物约有3000余种，许多在热带地区生活。多数种类的蝉每年都会出现，为炎热的夏天增添一番生气。
虽然我们年年都能听见蝉鸣，但是当年羽化的蝉并非前一年所孵化——蝉的一生中大部分时间以幼虫形态穴居在地下。
幼虫孵化后会钻入土中，靠吸食树根的汁液生存。根据品种的不同，多数蝉的幼虫会在土壤中生活若干年并经历多次蜕皮，随后从地底钻出，爬上高枝羽化、交配、产卵，孵化后的蝉卵又再进入下一个生命周期。
古代中国人观察到蝉的这些行为，认为它们“蜕于浊秽”“居高饮洁”，将其作为德行的榜样。一些汉代官员的冠上装饰有金蝉，寓意高洁；汉代贵族墓葬中，墓主人口中含着的蝉形玉，则寓意他们能像蝉一样“羽化重生”。
△电视剧《三国演义》中，一些东汉官员冠冕上有蝉形装饰（图片来源于网络）
多数蝉的幼虫在土壤中生活1~5年，但生活在北美洲的“周期蝉”(蝉科下的一个属），生命周期长达13或17年。今年4月底到5月间，美国东部一些地区的周期蝉将集体破土而出，群体预计以数十亿计。
今年出现的周期蝉，上一次在阳光下呼朋引伴还是2004年（雅典奥运会正准备召开，人们还在用着翻盖手机）。周期蝉的幼虫在地下待十几年做什么？它们为什么要如此守时？
魔蝉现世
大多数种类的蝉在地底的生命长度，取决于它们达到成熟体重所需的时间。这些蝉在每年夏天的7~8月“睡到自然醒”，出现的时间并不固定。
但在北美洲的一些地方，随着土地在春天回暖，从地里钻出来的不只是花花草草，还有数以亿计的周期蝉幼虫。
△周期蝉幼虫钻出地面（图片来源：纪录片《行星地球》）
沉默了十几年的蝉突然大量出现，也许曾让200多年前刚刚踏上美洲大陆的开拓者们惊异不已——周期蝉这个属的拉丁名Magicicada，字面意思就是“魔蝉”。
今年5月前后，一些已经在地底生长17年的幼虫会钻到20厘米深处等待，当那里的土壤温度达到18℃的时候，它们就会在黄昏或夜晚时分同步出现。首先钻出地面的是雄蝉，几天后雌蝉也会跟着现身。幼虫爬上附近的乔木，在树干上羽化为成虫。
△周期蝉幼虫不经化蛹，直接蜕皮羽化（图片来源：nytimes.com）
最初几天，这些蝉还算安静，等待着新壳的硬化。蜕皮之后的成虫在半个小时后就会从苍白变为深色，再过数天就能够飞行。而在随后的大约4周的时间内，越来越多的蝉从静音模式切换到“最高音量”，树林附近到处都会回响着雄虫们求偶的情歌。
蝉是世界上叫声最响亮的昆虫之一，雄性蝉的腹部有独特的发声器官（鼓室），膨胀而中空的腹部也起到了增强声音的效果。此外，雄蝉还喜欢凑在一起鸣叫，超过100分贝的蝉鸣声不仅方便吸引雌性，也让某些捕食者受不了。
在完成交配后，雌虫会用尖锐的产卵管在嫩枝上钻出深洞，并在内产下数以百计的卵。完成繁殖任务后，成虫就会大批死亡。在6~10周后，米粒大小的幼虫就会孵化并从枝头掉落，钻入地底开始新的生命循环。
周期蝉这一属中有7个物种，其中有3种17年蝉、4种13年蝉，它们目前只分布在北美洲，未在其他大洲发现过。根据出土繁殖的年份，现存的周期蝉又被划进15个“群”（Brood），每个群中可能有若干种周期蝉。
△虽然北美洲有时连续几年都有周期蝉出现，但各群的蝉繁殖的区域重合较少，避免了捕食者“连年有蝉”（图片来源：美国农业部）
今年与人们见面的是“第10群”，它们在2004年春天钻入地底。在树上高声喧哗的几周，只是周期蝉们十几年默默蛰伏地底后的“华丽收场”。
蝉多势众
在美国，周期蝉成批涌现的“大型相亲现场”可能让人联想到蝗灾。根据科学家的预估，今年“第10群”会在美国包括华盛顿特区的十几个州密集出现，某些地区每平方米会有多达260~320只蝉。
与蝗群吞噬一切不同的是，蝉群是来“请客”的。
3000多种蝉中，多数蝉演化出了躲避捕食者的灵巧身段，周期蝉则不然——它们不叮也不咬，移动不算敏捷，个性又十分招摇，甚至不会躲避猎食者（当地的人们会发现周期蝉完全不介意在他们身上歇脚）。
▲大眼瞪小眼（图片来源于网络）
周期蝉唯一的优势就是庞大的数量。它们出现的那一年，各种本地动物获得了一次免费的自助餐机会，但这些“会飞的小龙虾” 数以亿计，怎么也吃不完。因此，周期蝉的群体规模越巨大，平均到每只蝉头上的被捕食风险就越小。
天生的“数学家”
为什么周期蝉有着13和17年的漫长生命周期？
一种假说认为，周期蝉演化出漫长的生命周期能够躲避捕食者，特别是13/17这样的质数（只能被1和本身整除的数字）周期，可以避免与捕食者的种群兴衰周期同步。假设蝉的生命周期是12年这样的非质数，则它与那些生命周期为1年、2年、3年、4年、6年及12年的天敌都可能反复遭遇，使得种群生存受到威胁。
另一些研究则将周期蝉的生命周期与冰河时代联系起来——在周期蝉起源的时期，北美地区出现了一些“冷夏”，而更长的生命周期增加了这些昆虫种族延续的可能。
△7种周期蝉的共同祖先，生活在390万年前（图片来源：《Communications Biology》）
但上述两种理论不能解释周期蝉所有的特点。再者说，如果质数、漫长生命周期的优势如此明显，全世界其他的3000余种蝉为什么没有采取类似的繁殖策略？另外，周期蝉又是如何精确计算年份的？
2000年，加州大学戴维斯分校的研究者借助基因工程技术，改造了一棵“养育”周期蝉幼虫的桃树，使其一年开花两次。他们发现，已经在地底发育15年的周期蝉在一年之后钻出了地面。研究者因此猜测，周期蝉能够感知植物根部的季节性液体流动，从而“计算”出已经在地底待过的年份。在一些暖冬，地底的某些周期蝉可能“多算一个春天”。但这些昆虫又如何计数？科学家还不清楚。
（图片来源：TED-Ed）
周期蝉的秘密，目前还难以准确回答。这其中最大的挑战，恰恰是它们超长的生命周期——为了观察一群周期蝉的行为变化，研究者要等待数十年的时间。“来也匆匆，去也匆匆”，十数年的隐居生活后，它们只在世间留下短暂喧嚣。
它们还会“准时赴约”吗？
研究者已经知道，由于幼虫在地下所处环境的不同，周期蝉破土而出的时间也未必那么准时。一些食物供应更丰富的个体会提前4年钻出，而营养不足的个体则会推迟4年。例如2017年时，美国就发现了许多“10号群”周期蝉提前出现。
美国康涅狄格大学的生物学家发现，周期蝉对于气候十分敏感。美国南方的一种13年蝉，正是原本的17年蝉在温暖的气候中多次提前4年破土而出，最终永久地转变为13年周期。少量的周期蝉“提前赴约”时，很可能被捕食者迅速一扫而空，或者找不到配偶。但是如果大量的17年蝉提前出土并成功繁殖，未来就可能会出现另一个13年蝉的群体。
（图片来源于网络）
“第10群”周期蝉下一次破土而出，就是2038年了。17年后的世界会是什么样，大概谁也说不准。随着全球气候的变化，自然界的“大功率闹钟”在17年、34年、51年后还会不会那么准时响起，大概也没人能“知了”。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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