做好准备。美国即将爆发一波巨大的蝉。

在北美最近的日食之后,另一个历史性的自然事件即将到来。从 4 月下旬到 2024 年 6 月,最大的 13 年生蝉巢,称为育雏 XIX,将与中西部的 17 年蝉育雏 XIII 共同出现。

本次活动将影响 17 个州,从马里兰州向西到爱荷华州,向南到阿肯色州、阿拉巴马州和佐治亚州北部、卡罗来纳州、弗吉尼亚州和马里兰州。像这样具有不同生命周期的两个特定育雏的共同出现每 221 年才发生一次.这两个团体最后一次一起出现是在1803年,当时托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson)担任总统。

在大约四个星期的时间里,分散的树木繁茂的郊区将响起蝉独特的口哨声、嗡嗡声和啁啾交配声。交配后,每只雌性会在铅笔大小的树枝上产下数百个卵。然后成年蝉会死。一旦卵孵化,新的蝉若虫就会从树上掉下来,钻回地下,再次开始循环。

全世界可能有3000到5000种蝉,但美国东部的13年和17年周期性蝉似乎是独一无二的,它将地下漫长的幼年发育时间与同步的大规模成虫出现相结合。世界上还有另外两种已知的周期性蝉,一种在印度东北部,一种在斐济,但它们的生命周期分别只有四年和八年。

周期性的蝉给昆虫学家和公众提出了许多问题。蝉在地下 13 或 17 年做什么?为什么它们的生命周期这么长?为什么它们是同步的?今年春天出现的两只幼崽会相互作用吗?公民科学家如何帮助记录这一现象?并且是气候变化影响昆虫世界的这个奇迹?

我们研究周期性蝉要了解以下问题生物多样性, 生物地理学,行为与生态– 生命的进化、自然历史和地理分布。周期性 13 年和 17 年蝉的学名是魔术师,简称为“魔蝉”。

古代访客

作为物种,周期性蝉比它们栖息的森林更古老。分子分析表明,大约在400万年前,现在的祖先魔术师物种分为两个谱系.大约150万年后,其中一个谱系再次分裂。由此产生的三个谱系是现代周期性蝉物种群的基础,德西姆、卡西尼号和德库拉.

早期的美国殖民者首先在马萨诸塞州遇到了周期性的蝉。如此多的昆虫的突然出现让他们想起了圣经中的蝗虫瘟疫,蝗虫是一种蚱蜢。这就是“蝗虫”这个名字在北美被错误地与蝉联系在一起的原因。

在 19 世纪,著名的昆虫学家如本杰明·沃尔什,CV莱利查尔斯·马拉特研究了周期性蝉的惊人生物学。他们确定,与蝗虫或其他蚱蜢不同,蝉不会咀嚼树叶、破坏庄稼或成群结队地飞行。

相反,这些昆虫一生中的大部分时间都在看不见的地方度过,在经历五个幼年阶段时生长在地下并以植物根部为食。它们的同步出现是可预测的,在北部以17年,在南部和密西西比河谷为13年的发条时间表发生。有多个区域年级,称为育雏。

这张地图上的每种颜色代表 13 年或 17 年的蝉巢,由康涅狄格大学的研究人员观察活跃的蝉合唱表示。育雏XIII(棕色)和XIX(橙色)将于2024年出现。单击任何点以查看它属于哪个育雏。源:康涅狄格大学,经许可使用。

齐心协力

主要特点魔术师生物学是这些昆虫同步大量出现——高达每英亩150万.这增加了他们在地面上完成关键任务的机会:寻找配偶。

密集的突发事件也提供了科学家所说的捕食者满足或数量安全防御。任何以蝉为食的捕食者,无论是狐狸、松鼠、蝙蝠还是鸟类,都会在吃掉该地区所有昆虫之前很久就吃掉它,留下许多幸存者。

虽然周期性蝉基本上每 17 或 13 年就会按时出现一次,但通常会有一小群蝉提前或晚四年出现。早期出现的蝉可能是生长较快的个体,可以获得丰富的食物,而落后的蝉可能是生存较少的个体。

如果生长条件随着时间的推移而变化,就像现在气候变暖一样,有能力进行这种生命周期转换,在有利时期提前四年或在更困难的时期晚四年出现变得很重要。如果突然的温暖或寒冷阶段导致大量蝉在四年内不按计划出现,那么昆虫可以出现足够的数量来满足捕食者并转移到新的时间表。

气候变化会改变 Magicicada 时钟吗?

大约10,000到20,000年前,随着冰川从现在的美国撤退,周期性的蝉充满了东部森林。不同地点的临时生命周期切换形成了一个复杂的育雏马赛克。

今天,在东北落叶林中有12个17年周期性蝉的育雏,树木在冬天落叶。这些组按顺序编号,并像一个巨大的拼图游戏一样组合在一起。在东南部和密西西比河谷,有三个13年生的蝉巢。

由于周期性蝉对气候敏感,因此它们的育雏和物种的模式反映了气候变化。例如,我们工作的遗传和其他数据表明,13 年的物种Magicicada neotredecim,位于密西西比河谷上游,形成于大约20万年前的间冰期.

随着环境变暖,该地区17年的蝉在地下生活了13年后,一代又一代地相继出现。最终,他们永久改为 13 年周期.

但目前尚不清楚蝉是否能像人类改变环境一样迅速进化。虽然周期性蝉更喜欢森林边缘,在郊区茁壮成长,但它们无法生存森林 砍伐或在没有树木的地区成功繁殖。

事实上,一些育雏已经灭绝。在19世纪后期,一个育雏(XXI)在佛罗里达州北部和佐治亚州消失了。自 1954 年左右以来,康涅狄格州东北部的另一个 (XI) 已经灭绝,自 1800 年代中期首次开始测绘以来,纽约州北部的第三个 (VII) 已从八个县缩小到一个县。

气候变化也可能产生更深远的影响。随着美国气候变暖,更长的生长季节可能会提供更多的食物供应。这最终可能会将更多的17年蝉变成13年的蝉,就像过去的变暖一样改变Magicicada neotredecim.

2017 年在辛辛那提和巴尔的摩-华盛顿都会区以及 1969 年、2003 年和 2020 年在芝加哥都会区出现早期出现,更多的人参与了连续几代人。我们假设这是由于气候变暖造成的。

2024 年,17 年的育雏 XIII 将在地理上与 13 年的育雏 XIX 相邻。然而,与最近的一些媒体报道相反,它们不会重叠。我们之所以知道这一点,是因为在前几代它们单独出现时,我们已经绘制了它们的地图。在相邻区域,我们无法区分这两个育雏。它们在外观、歌曲和遗传学上是相同的。

研究人员需要详细的高质量信息来跟踪蝉随时间的分布。公民科学家是这项工作的关键,因为周期性的蝉种群数量如此之大,它们的成年蝉只持续几周。

想要帮助记录 2024 年出现的志愿者可以下载Cicada Safari手机应用程序,提供快照并实时在线关注我们的研究www.cicadas.uconn.edu.如果蝉在你所在的地区,它们将很难被忽视,那么为什么不学会欣赏它们并玩得开心呢?

这是一篇文章最初发表于2021年3月12日。

约翰·库利,生态学和进化生物学助理教授,康涅狄格大学克里斯·西蒙,生态学和进化生物学高级研究科学家,康涅狄格大学

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