出品：科普中國
製作：大阪大學 張昊
監製：中國科學院電腦網路資訊中心
白素貞等待了千年才與許仙斷橋相會， 可見緣分雖然妙不可言， 卻也可遇不可求。
世界上有兩種蟬， 一種每13年出現一次， 一種每17年出現一次。 接下來請聽好這道五年級奧數題：17年蟬和13年蟬要間隔多少年才會相遇一次？相信兩個質數最小公倍數的求法大家還是沒忘記的， 答案是221年！簡直久到白素貞都快成仙了！
不過， 接下來這道題就有點超綱了， 它們在221年一次的相遇中， 會不會做一些羞羞的不可描述的事情？這個問題的答案最近還真被科學家揭開了。
蟬是中國老百姓非常熟悉的昆蟲之一， 特別是在北京以南的很多地區， 每年盛夏總會有無數蟬附著在高大的喬木之上， 製造刺耳的鳴響。 蟬生命中的大部分時期是生活在地下的幼蟲狀態，
目前記錄在案的蟬已經有將近3000種， 其中絕大部分種類的生長週期都在1到5年。 以北方常見的油蟬（俗稱知了）為例， 0齡幼蟲在產卵後的初年卵內越冬， 第二年6月孵化完成， 成為1齡幼蟲， 此時身體大部分器官都已發育成型。 1齡幼蟲潛入地下， 蟄伏5年， 經過4次蛻皮後在第六年夏天鑽出地表。
不過， 在北美的很多地區， 一些特定種群蟬的生長週期非常長， 以13年或17年為一個迴圈， 因此被稱為週期蟬。 它們的幼蟲在地下蟄伏13或17年後，
從基因角度進行的遺傳學分析表明， 這兩種蟬大約是180萬年前從同一祖先分化出來的。 目前， 13年蟬主要分佈在美國東南部的幾個地區，
週期蟬現存的15個種群
它們的生命週期為何如此之長？13和17這樣的質數週期真的是偶然為之？
科學家認為， 週期蟬的生命週期如此之長是基於兩大考慮：
首先， 週期蟬這個物種誕生早期， 北美大陸的夏天要比現在寒冷， 偶爾會出現連續兩三年的冷夏。 如果週期蟬採用兩三年的短生命週期， 很可能會接連經歷幾次冷夏， 進而遭到團滅， 這對種群的存續會造成不小的威脅。 而採用長週期則可以避免出現這樣的問題， 提高種群的存活率。
事實上， 曾經可能存在的情況是， 當年週期沒有這麼長的兄弟種群都被凍死了， 特別是17年蟬生活的緯度更高， 因此需要蟄伏的時間也稍長一點。 更長的蟄伏時間也令17年蟬擁有更好的發育狀況， 進而具有更多的營養來進行生殖。 有證據表明， 17年蟬的產卵能力要高於13年蟬。
此外，很多種寄生蟲都是蟬的天敵，它們的生命週期大多為3到4年。如果週期蟬採用短週期，每3、4年就可能遭遇一次天敵的侵襲，這同樣是非常不利的。對於一切昆蟲的天敵鳥類來說，雖然每17年就能趕上一次真正的饕餮盛宴，但是由於暫態數量太過龐大，鳥類也無法有效抑制蟬的數量。據報導，每次週期蟬大爆發時，種群總數量可以達到60億之巨，這樣龐大的種群集中在相對狹小的限定地域內，當地的鳥類是絕不可能完全消化的。
有趣的是，由於從來沒有逃避天敵捕食的概念，週期蟬的字典中是沒有恐懼兩個字的。小鳥即便已經吃掉了旁邊的兄弟，週期蟬也是照樣該吃吃該喝喝，絕不逃跑認慫。給人一種生死有命富貴在天的感覺，頗為佛系。
質數週期同樣與逃避寄生蟲天敵有關，如果是12年為週期，很可能頻繁地與3年和4年發生的寄生蟲相遇（當然還有2年生），13年週期的話，則分別39年或者52年才會遇到一次，極大提高成活率。
13年蟬和17年蟬會種間雜交？有這種可能！科學界一直認為，13年蟬和17年蟬之間是不會發生雜交的，即便是它們同時相遇的年份，也不會對彼此產生興趣。然而，一項4月19號發表在Nature集團旗下新刊物《Communications Biology》的論文表明，科學家們在基因層面上發現了兩種週期蟬進行過雜交的證據。之前，科學家們一度認為這兩種蟬之間是不會發生交配行為的。科學家們分析，在同一地區棲息的兩種週期蟬，每221年一次的相遇是有可能造成種間雜交的。此外，不排除極少數不太合群的個體沒有遵循13或者17這樣的規律，提前或者拖後出土羽化，與異族不期而遇之後發生不可描述的行為。
可能有些愛操心的讀者會問，雜交會不會影響後代的週期性？假如週期發生了錯亂，後代在與大部隊不同的年份鑽出地表，豈不是只能註定孤獨終老？
不用擔心，科學家們發現，雜交並沒有讓後代週期蟬的生長週期發生異常，仍然是13或者17年，並且這種週期性在經歷10萬年到20萬年的跨度後仍然可以保持。
根據論文中的推測，週期蟬的生長週期很可能由尚未定位的遺傳基因進行調控。雜交後基因仍然由子代繼承，遵循與親代類似的週期規律。至於雜交後子代的週期是隨爹還是隨媽，論文中並沒有明確結論……今後，研究小組的目標將是解析週期蟬的基因組，並在此基礎上厘清與週期調控相關的奧秘。
週期蟬怎麼知道啥時候鑽出地面？還有一個未解之謎，同一種群週期蟬鑽出地面的時間控制機制是怎樣的？它們如何計算年份？
有科學家認為，週期蟬是通過計算冬眠的次數來獲知應該什麼時候鑽出地面的。每年冬天，地下的蟬幼蟲會按時冬眠，經過一定年數後，就會破土而出。
加州大學大衛斯分校的Karban教授對此有不同見解，他認為週期蟬的幼蟲在地下吸食樹根汁液時可以感受到樹齡的變化。他利用一株經過基因工程改造的桃樹完成了一個有趣的實驗，正常的桃樹一年開一次花結果一次，這株桃樹卻可以一年開花兩次。將地下採集到的正常發育的週期蟬移到這株桃樹的樹根後，週期蟬在一年時間內完成了兩年的發育歷程。
然而，這兩種解釋也僅僅是將單位精確到了年而已，但週期蟬鑽出土地的時間點卻是高度統一的，僅僅只有幾天時間。Karban教授曾經對蟄伏於地下的週期蟬進行過系列挖掘，他發現，實際上地下的發育過程存在明顯的進度差異，但令人驚奇的是，發育進度提前的個體們會等候整個群體中的後進者也完成發育，才開始鑽出地表。也就是說，週期蟬們在等待某個信號。那麼，信號到底是什麼呢？科學家們目前仍然不清楚，比較流行的假設是土壤溫度。
小編認為，山東地區不少吃瓜群眾對這個問題應該有獨到見解。遙想數千年前，齊魯大地誕生了中國較早的農業文明，大家刀耕火種、齊心協力建設美好家園。可是古代畢竟生產力水準不高，收成一般，大家日子過的很辛苦……結果十幾年一次，天降祥瑞，過年吃餃子，一吃一個月，吃不完打包外帶，燒烤、油炸、風乾……。週期蟬錯誤地選擇了Hard模式，經過了幾代人的努力，週期蟬也就永遠地消失在中華民族悠悠五千年的歷史長河中了……（本段文字純屬瞎掰，這個問題目前還沒有科學解釋）。
曾經有一句流傳甚廣的古風金句，“用我三生煙火換你一世迷離”。週期蟬的生命，雖有太多的時間陷在塵泥，卻終在生命的盡頭沖出幽暗的地底，奔向無限的光明。221年一次的相遇，週期蟬的世界又何嘗不是這樣的三生三世，乃至生生世世？
參考文獻
1.https://www.sciencenews.org/blog/science-ticker/cicadas-different-schedules-can-hybridize?tgt=nr
2.https://www.nature.com/articles/s42003-018-0025-7
3.http://magicicada.org/magicicada/
4.http://blog.livedoor.jp/hsnemu/archives/3856503.html
5.https://www.natureasia.com/ja-jp/research/highlight/12477
6.https://www.huffingtonpost.jp/2018/04/23/what-is-going-on-with-the-cicadas_a_23417667/
7.https://www.zhihu.com/question/22250022
8.https://www.sciencenews.org/article/mystery-synchrony
9.https://www.sciencenews.org/blog/deleted-scenes/brood-ii-emerges-questions-remain-about-cicada-cycles
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17年蟬的產卵能力要高於13年蟬。
此外，很多種寄生蟲都是蟬的天敵，它們的生命週期大多為3到4年。如果週期蟬採用短週期，每3、4年就可能遭遇一次天敵的侵襲，這同樣是非常不利的。對於一切昆蟲的天敵鳥類來說，雖然每17年就能趕上一次真正的饕餮盛宴，但是由於暫態數量太過龐大，鳥類也無法有效抑制蟬的數量。據報導，每次週期蟬大爆發時，種群總數量可以達到60億之巨，這樣龐大的種群集中在相對狹小的限定地域內，當地的鳥類是絕不可能完全消化的。
有趣的是，由於從來沒有逃避天敵捕食的概念，週期蟬的字典中是沒有恐懼兩個字的。小鳥即便已經吃掉了旁邊的兄弟，週期蟬也是照樣該吃吃該喝喝，絕不逃跑認慫。給人一種生死有命富貴在天的感覺，頗為佛系。
質數週期同樣與逃避寄生蟲天敵有關，如果是12年為週期，很可能頻繁地與3年和4年發生的寄生蟲相遇（當然還有2年生），13年週期的話，則分別39年或者52年才會遇到一次，極大提高成活率。
13年蟬和17年蟬會種間雜交？有這種可能！科學界一直認為，13年蟬和17年蟬之間是不會發生雜交的，即便是它們同時相遇的年份，也不會對彼此產生興趣。然而，一項4月19號發表在Nature集團旗下新刊物《Communications Biology》的論文表明，科學家們在基因層面上發現了兩種週期蟬進行過雜交的證據。之前，科學家們一度認為這兩種蟬之間是不會發生交配行為的。科學家們分析，在同一地區棲息的兩種週期蟬，每221年一次的相遇是有可能造成種間雜交的。此外，不排除極少數不太合群的個體沒有遵循13或者17這樣的規律，提前或者拖後出土羽化，與異族不期而遇之後發生不可描述的行為。
可能有些愛操心的讀者會問，雜交會不會影響後代的週期性？假如週期發生了錯亂，後代在與大部隊不同的年份鑽出地表，豈不是只能註定孤獨終老？
不用擔心，科學家們發現，雜交並沒有讓後代週期蟬的生長週期發生異常，仍然是13或者17年，並且這種週期性在經歷10萬年到20萬年的跨度後仍然可以保持。
根據論文中的推測，週期蟬的生長週期很可能由尚未定位的遺傳基因進行調控。雜交後基因仍然由子代繼承，遵循與親代類似的週期規律。至於雜交後子代的週期是隨爹還是隨媽，論文中並沒有明確結論……今後，研究小組的目標將是解析週期蟬的基因組，並在此基礎上厘清與週期調控相關的奧秘。
週期蟬怎麼知道啥時候鑽出地面？還有一個未解之謎，同一種群週期蟬鑽出地面的時間控制機制是怎樣的？它們如何計算年份？
有科學家認為，週期蟬是通過計算冬眠的次數來獲知應該什麼時候鑽出地面的。每年冬天，地下的蟬幼蟲會按時冬眠，經過一定年數後，就會破土而出。
加州大學大衛斯分校的Karban教授對此有不同見解，他認為週期蟬的幼蟲在地下吸食樹根汁液時可以感受到樹齡的變化。他利用一株經過基因工程改造的桃樹完成了一個有趣的實驗，正常的桃樹一年開一次花結果一次，這株桃樹卻可以一年開花兩次。將地下採集到的正常發育的週期蟬移到這株桃樹的樹根後，週期蟬在一年時間內完成了兩年的發育歷程。
然而，這兩種解釋也僅僅是將單位精確到了年而已，但週期蟬鑽出土地的時間點卻是高度統一的，僅僅只有幾天時間。Karban教授曾經對蟄伏於地下的週期蟬進行過系列挖掘，他發現，實際上地下的發育過程存在明顯的進度差異，但令人驚奇的是，發育進度提前的個體們會等候整個群體中的後進者也完成發育，才開始鑽出地表。也就是說，週期蟬們在等待某個信號。那麼，信號到底是什麼呢？科學家們目前仍然不清楚，比較流行的假設是土壤溫度。
小編認為，山東地區不少吃瓜群眾對這個問題應該有獨到見解。遙想數千年前，齊魯大地誕生了中國較早的農業文明，大家刀耕火種、齊心協力建設美好家園。可是古代畢竟生產力水準不高，收成一般，大家日子過的很辛苦……結果十幾年一次，天降祥瑞，過年吃餃子，一吃一個月，吃不完打包外帶，燒烤、油炸、風乾……。週期蟬錯誤地選擇了Hard模式，經過了幾代人的努力，週期蟬也就永遠地消失在中華民族悠悠五千年的歷史長河中了……（本段文字純屬瞎掰，這個問題目前還沒有科學解釋）。
曾經有一句流傳甚廣的古風金句，“用我三生煙火換你一世迷離”。週期蟬的生命，雖有太多的時間陷在塵泥，卻終在生命的盡頭沖出幽暗的地底，奔向無限的光明。221年一次的相遇，週期蟬的世界又何嘗不是這樣的三生三世，乃至生生世世？
參考文獻
1.https://www.sciencenews.org/blog/science-ticker/cicadas-different-schedules-can-hybridize?tgt=nr
2.https://www.nature.com/articles/s42003-018-0025-7
3.http://magicicada.org/magicicada/
4.http://blog.livedoor.jp/hsnemu/archives/3856503.html
5.https://www.natureasia.com/ja-jp/research/highlight/12477
6.https://www.huffingtonpost.jp/2018/04/23/what-is-going-on-with-the-cicadas_a_23417667/
7.https://www.zhihu.com/question/22250022
8.https://www.sciencenews.org/article/mystery-synchrony
9.https://www.sciencenews.org/blog/deleted-scenes/brood-ii-emerges-questions-remain-about-cicada-cycles
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