17年蝉是怎么演化来的？ 第1页

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浏览了一下大家的回答，哈哈哈好可爱……

我觉得要讨论周期蝉（13年、17年蝉），首先得弄明白周期蝉具体指的是哪些蝉，它们的基本事实是怎样的，不然不成了瞎子摸象了吗？

周期蝉是蝉科周期蝉属（Magicicada）下7种蝉的统称，其中有3种是17年蝉，4种是13年蝉。它们只生活在北美东部，其中13年蝉主要分布在美国东南部，17年蝉主要分布在美国东北部及加拿大部分地区。

这7种蝉之所以被称为“周期蝉”，是因为它们会遵循某个周期集中出现。我们以2016年为例，2016年，有一种17年蝉将会在马里兰州出现，而在2016年之后的16年里，马里兰州再也不会出现这种周期蝉，直到2033年，马里兰州才会再次出现这批周期蝉的后代。

我们一定要注意到，这种集中的、周期性的出现，和其它的蝉有着极为明显的不同。其它的蝉，都是每年都会出现的，虽然也有一些蝉有自己的成熟周期，比如3年，但是我们2016年可以见到出生于2013年的蝉，2017年可以见到出生于2014年的蝉，2018年还可以见到出生于2015年的蝉，也就是说，每年都有。而周期蝉则绝不会出现这种情况，2016年出现过的17年蝉的地区，直到2033年才会再次出现周期蝉。这才是“周期”的真正意义。

明白了这些基本事实，我们显然就可以对其他回答里的一些困惑有了答案：

Q：为啥我从来没见过17年才出土的蝉？
A：可能是因为你不在北美洲

Q：为啥我生活在北美，却可以年年见到蝉？
A：因为北美也有许多种蝉，你年年都见到的并不是周期蝉

密密麻麻的趴在栅栏上的周期蝉

周期蝉的这种周期性集中出现的现象，非常独特，也十分引人注目，在周期蝉出土的年份里，你一铁锹挖下去，都能挖出几百只蝉蛹（知了猴），而每棵树上，都有几百只周期蝉再不断地向上攀爬，其密度，可以达到每英亩（大约换算成中国的6亩多一点）150万只之巨！这一壮观景象可把第一批来到北美的欧洲殖民者吓坏了，也引起了他们之中许多科学家的高度兴趣——比如著名的富兰克林——他们马上着手研究，试图搞清楚为什么这种蝉和其它蝉如此不同。为了方便研究，他们把1893至1909这17年里出现的17年周期蝉分为了17个群，以1-17编号，1893到1905这13年里出现的13年周期蝉分为了13个群，一18-30编号（没错，周期蝉的同步性只在本群内部，不同群之间则是错开的）。但是，有一些年份里，是没有周期蝉出现的，所以有些编号是空白的，也有两群周期蝉曾经出现过后来却不知道怎么的绝户了，比如编号为11的17年蝉，在1954年之后就再也没有出现过，以及编号为21的13年蝉，在1870年之后就再也没出现过，这样现在还会定期出现的周期蝉，只剩下了15组，它们的分布情况是这样的：

现存的15群周期蝉分布地区图，图片来自科学松鼠会@Ent

虽然科学家们绞尽脑汁的钻研，但直到今天，依然没有一个足够清晰的理论可以说明为什么周期蝉有周期，这种周期是怎么演化来的，又有何“目的”。但仍有几个假说，得到了比较广泛的支持，它们主要有：

• 周期蝉的周期，是恶劣的气候造成的
  
• 周期蝉的周期，是天敌的掠食造成的
  

第一种观念认为，周期蝉起源于180万年前，其间发生了多次冰期，在冰期，会不规律的出现寒冷的夏季，虽然蝉蛹躲在土中可以躲避严寒，但如果在冷夏出土，蝉就会冻死，而出土周期较长的蝉，可以减少族群暴露在地面上的几率，最大可能的避开了这些冷夏。有研究表明，如果假设在1500年的时间里，每隔50年左右出现一次冷夏，那么，每7年出土一次的蝉，只有7%可以躲开冷夏幸存下来，每11年出土一次的蝉，只有51%的几率可以躲开冷夏幸存下来，而17年蝉，则可以有96%的几率躲开这些冷夏！

这样看来，在那个寒冷的时代里，生命周期很短的其它蝉可能都被冻死了（今天生活在当地的短寿命的蝉，可能是从别的地方搬家过来的），只有生命周期为17年以及17年左右——比如16年或18年（注意这里，下面要讲）的蝉得以幸存。可是为什么这些蝉只有固定的周期才会出现呢？我们还可以用2016年出现在马里兰州的17年蝉为例子。它们的祖先，很可能也和其它蝉一样，每年都会出现，每次出现的都是17年之前出生的蝉，但17年蝉也有4%的几率会遇到冷夏，可能在这漫长的冰河期内，其它的周期蝉也很不幸运的遇到了4%的小概率事件，被寒冷一窝端了，只有这一组幸存至今。

我们可以看到，周期蝉的生命周期如此的长，可能是在环境的筛选之下，被逼出来的，但是环境的恶劣也是有限度的，可能北美东北部的气候恶劣程度，刚好可以让17年以及17年左右的蝉幸存下来，也可能当时也演化出了20年、30年的蝉，但昆虫的寿命也是有极限的，很难保证这些蝉都能活这么大的岁数，一边是气候的恶劣，一边是寿命的衰减，很可能刚好到了17这个年份的时候，生存率也保证了，蝉也没有老死病死的太多，两者达到了一个微妙的平衡。相应的我们可以看到，13年蝉居住的区域更为靠南，冷夏的威力更小一些，所以13年就已经有了很高的生存几率，平衡也达到了。

但是！这里有一个关键的问题：

• 既然17年蝉可以幸存，为什么16年蝉，18年蝉没有存活下来呢？它们躲开严寒的几率，以及活到这个岁数的几率都应该和17年差不多

这就催生了第二个理论——周期蝉的周期性，还可能与天敌有关。

我们继续以马里兰州的这一群周期蝉为例，它们在2016年出土，数量多达几十亿只，这可把当地的鸟类、小型哺乳动物和爬行动物乐坏了，这满地都是美食，吃也吃不完，一直困扰这些蝉的天敌的食物短缺问题就这么彻底解决了。这就导致了：

• 原本会被饿死的蝉的天敌饿不死了，提高了整个天敌种群的数量（死的少，当然就算是提高了嘛）；
  
• 原本天敌一胎/窝生4个后代，因为食物不足只能养大1个，现在食物充足，4个都活了，进一步提高了整个天敌种群的数量；

我们知道，野生动物的繁殖，受到食物的影响很大，在食物充足的情况下，很多动物都会大量繁殖，幼崽也有一个很高的存活率。在周期蝉出来的那一年，许多蝉的天敌也从中渔利，生了很多后代，这些后代也顺利长大。但周期蝉的出土周期这么长，这些“超生”出来的天敌，很可能等不到周期蝉下次出土，就饿死或老死掉了，这样周期蝉下次出土的时候，天敌的种群数量又恢复到了正常水平。

但有一些天敌的数量回落，却需要一定的周期。一些动物有自己的繁衍周期，可能有的天敌要6年才能性成熟繁殖（只是举个例子），它的后代又要6年之后才会性成熟繁殖，虽然因为没有周期蝉吃，它们的种群数量一直是在回落的，但由于加入了繁殖这个因子，它们的种群衰落速度可能还没有那么快，这样到了繁殖到第三代的时候，其种群数量可能还是比当年的第一代要多……而很不凑巧的是，18年的周期蝉又出现了！天敌们又是大吃特吃，第三代天敌生下了海量的第四代天敌，其总数量，也会比18年前第一代生第二代的时候大！也就是说，这种天敌的种群数量虽然会以18年为周期下滑，但每过18年，都会迈上一个新的高度，长远来看，这种天敌的总数还是在上涨的，涨到一定的程度，就有可能把周期蝉吃的越来越少。16年蝉也是同样的道理，它很可能被一种8年繁殖一代、4年繁殖一代、甚至2年繁殖一代的天敌吃绝种。

而13年蝉和17年蝉，又幸运的避开了这个可能性。因为13和17，恰好是两个质数，什么是质数呢？也就是只能被1和它自己本身整除，也就是说，除非你每年都繁殖，或者正好17年繁殖一代，否则我几乎不会成为你繁殖的助力器，如果你2年繁殖一代，那我只会在34年之后才会遇到你的繁殖期，34年，你能活那么久吗？34年，你的种群还没有下滑到正常的水平吗？

这也是为什么会有很多极客把周期蝉戏称为——懂数学的蝉——的原因了。

不过，这个假设也有一些细节无法完美解释，比如，1年繁殖一代的动物总能遇到你吧？有的鸟类虽然6年才性成熟，但6年之后也是每年都繁殖，可以视为1年繁殖一代，你不是也躲不开吗？这些问题，可能要考虑到17年确实是一个很长的年份，许多繁殖期很短的动物，自身寿命也非常的短，还没等到下一次周期蝉出现，种群规模已经回落到很低的水平了。还有的天敌虽然6年性成熟之后可以每年都繁殖，但性成熟之后，也繁殖不了几年就死翘翘了，而它们的后代，在第17年的时候恰好只有一部分性成熟了，所以大部队又被周期蝉躲开了，种群规模还是不断地下滑。

2012年，康奈尔大学的行为生态学家沃尔特•科尼格（Walt Koenig），以及美国农业部林业局的生态学家安德鲁•利布霍尔德（Andrew Liebhold）共同发表了一个论文，他们发现在17年蝉大批出现12年后，捕食它们鸟类的数量开始减少，最终在第17年达到最低点——正是17年蝉再次大批出现的年份。以13年蝉为食的鸟类遵循着类似规律。这种情况，很可能就是我们刚才说的那样——超生的天敌因为食物匮乏开始逐渐回落——但这两位科学家也有一个新的想法：周期蝉数量如此之大，它们是否会对当地的生态环境产生了某种影响，这种影响直接影响了天敌的数量呢？但是具体是什么影响，他们现在也没法解释。

说到这里，我知道有些朋友会些许懊恼——奥，我看你白话了大半天，到最后具体是什么原因还是不知道啊？上次我在写

的时候，就有许多朋友在评论区里如此表达不满。其实啊，我们切不可盲目自大，认为人类是万物灵长，无所不知，人类对自身、对自然，对大千世界的万千，仍然只是个懵懂无知的孩子，许多事情的来龙去脉我们尚无从得知，但我们不应该放弃探索，对周期蝉之谜是如此，对其它事情也应如此，只有孜孜不倦的探索，不断假设并推翻，我们才能走的更远一些，看的更多一些，生活也会更有趣一些。

最后附送一个周期蝉的观蝉指南，生活在美东的朋友们可以按图索骥，近距离感受一下周期蝉的气势（资料来自维基百科）：

• 17年蝉第一组，将于2029年出现在Western VA, WV
  
• 17年蝉第二组，将于2030年出现在CT, MD, NC, NJ, NY, PA, DE, VA, DC
  
• 17年蝉第三组，将于2031年出现在IA
  
• 17年蝉第四组，将于2032年出现在Eastern NE, southeastern IA, eastern KS, western MO, OK, north TX
  
• 17年蝉第五组，将于2016年出现在Eastern OH, Western MD, Southwestern PA, Northwestern VA, WV
  
• 17年蝉第六组，将于2017年出现在Northern GA, western NC, northwestern SC
  
• 17年蝉第七组，将于2018年出现在Ontario, Yates, and Seneca Counties NY
  
• 17年蝉第八组，将于2019年出现在Eastern OH, western PA, northern WV
  
• 17年蝉第九组，将于2020年出现在Western VA, southern WV, western NC
  
• 17年蝉第十组，将于2021年出现在NY, NJ, PA, DE, MD, DC, VA, WV, NC, GA, TN, KY, OH, IN, IL, MI
  
• 17年蝉第十一组，已于1954年之后绝灭
  
• 17年蝉第十二组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 17年蝉第十三组，将于2024年出现在Northern IL and in parts of IA, WI, and IN
  
• 17年蝉第十四组，将于2025年出现在Southern OH, KY, TN, MA, MD, NC, PA, northern GA, western VA and WV, and parts of NY and NJ
  
• 17年蝉第十五组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 17年蝉第十六组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 17年蝉第十七组，从未发现过该组的周期蝉
  


• 13年蝉第十八组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第十九组，将于2024年出现在AL, AR, GA, IN, IL, KY, LA, MD, MO, MS, NC, OK, SC, TN, and VA
  
• 13年蝉第二十组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十一组，已于1870年之后绝灭
  
• 13年蝉第二十二组，将于2027年出现在LA, MS
  
• 13年蝉第二十三组，将于2028年出现在AR, IL, IN, KY, LA, MO, MS, TN
  
• 13年蝉第二十四组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十五组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十六组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十七组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十八组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第二十九组，从未发现过该组的周期蝉
  
• 13年蝉第三十组，从未发现过该组的周期蝉