此时此刻，在美国东部的后院和森林中，一场自然界最壮观的景象正在上演。虽然它可能缺乏塞伦盖蒂草原上角马迁徙的史诗般宏伟，或日本樱花季的宁静之美，但这一事件同样令人叹为观止。我说的正是 Brood X 周期蝉的出现。
每隔 17 年，Brood X 数十亿的成员就会从它们的地下巢穴中钻出来，度过它们最后的几天，在阳光下狂欢。这一代始于 2004 年，当时 Facebook 仅在哈佛大学存在，而《老友记》播出了最后一集。新孵化的蝉若虫从树上掉下来，钻入泥土中。从那时起，它们一直生活在地下，以草和树木的细根中的汁液为食，并缓慢成熟。所有这些准备工作都是为了这一刻，当它们成群结队地出现时——每英亩多达 140 万只蝉——蜕变成成虫形态，唱着震耳欲聋的情歌，并在仅仅几周后死亡之前产生下一代。
对于早期的北美欧洲殖民者来说，这些昆虫突然大量出现让他们想起了圣经中臭名昭著的蝗虫。但蝗虫是形成巨大蝗群并长途跋涉、大规模吞噬庄稼的蚱蜢，而蝉则属于完全不同的昆虫纲。它们不结群，飞行能力差，通常飞行距离不超过数百英尺。此外，它们对植物的威胁很小，因为它们不吃植物组织。雌性确实会在树枝上切开口子产卵，这会削弱幼树，但不会影响成熟的树木和灌木。
全世界存在近 3,400 种蝉。但周期性蝉，即每 17 年或 13 年大规模出现一次的蝉，是美国东部特有的。17 年蝉生活在北方，13 年蝉则分布在南方和密西西比河谷。17 年蝉的三个物种——Magicicada septendecim、M. cassinii 和 M. septendecula——形成了混合物种的群体，称为虫群，它们的成员像钟表一样按相同的计划出现。这些虫群用罗马数字标识。Brood X 是 12 个 17 年蝉虫群中最大的一个，它们在不同的年份出现。
图片来源：丹尼尔·P·霍夫曼 (Daniel P. Huffman) 和约翰·库利 (John Cooley)
图片来源：谢丽·辛嫩 (Cherie Sinnen)
这些蝉的周期性生命周期，包括它们漫长的发育阶段和同步出现，长期以来一直吸引着科学家。康涅狄格大学的克里斯·西蒙 (Chris Simon) 说，迄今为止研究的大多数其他蝉的生命周期为三到五年。它们的若虫生长速度因遗传和环境因素而异，并且一旦达到一定的体型和发育水平，就会从地下出来。她解释说，因此，任何一只雌蝉的后代都会在不同的年份出现。相比之下，周期性蝉会在地下停留固定的时间，无论它们何时达到完全大小，然后一起出现。
图片来源：谢丽·辛嫩 (Cherie Sinnen)；顾问：吉恩·克里茨基 (Gene Kritsky)，《周期蝉：Brood X 版》(2021) 的作者
周期性蝉究竟是如何形成这些独特的生命史模式的，是当前活跃的研究领域。DNA 分析表明了它们进化的近似时间线。所有现存 Magicicada 物种的最后共同祖先在大约 390 万年前的上新世时期分化为两个谱系。其中一个分支本身在 150 万年后，也就是更新世时期再次分化。由此产生的三个谱系最终产生了现今存活的七个 13 年和 17 年蝉物种。这些蝉为何选择了 13 年和 17 年的周期尚不清楚。一种假说认为，拥有较长的质数周期可能会提高它们的生存几率，因为这可以使它们的出现时间与更频繁且周期为合数的捕食者种群高峰期错开。但另外两种已知的周期性蝉——一种在斐济，另一种在印度——分别以 8 年和 4 年的间隔出现。
研究人员提出，周期性蝉是通过将基于大小的出现时间表换成基于年龄的时间表并延长发育期，从非周期性蝉进化而来的。气候变化可能推动了这种转变。周期性蝉对温度敏感——温度决定了生长季的长度。在更新世时期，气温下降会平均减缓幼蝉的发育速度，但会增加生长期的变化，使得祖先蝉成虫的出现时间比以前更加多变。由于任何一年出现的成蝉密度降低，交配机会也会减少。在这种情况下，从基于大小的出现策略转变为基于年龄的策略，即昆虫在地下停留很长时间，然后同时出现，将增加出现时的成虫种群密度，从而增加它们寻找配偶和繁殖的机会。
同时大量出现也压倒了捕食者。因此，即使在鸟类、哺乳动物和鱼类饱餐了肥胖、毫无防御能力的昆虫之后，仍然有大量的蝉留下来繁殖下一代。
气候变化也塑造了虫群的分布。随着北美冰盖在过去 20,000 年中的前进和后退，蝉栖息的落叶林也随之萎缩和扩张。虫群的进化是为了应对这些冷暖循环。辛辛那提圣约瑟夫山大学的吉恩·克里茨基 (Gene Kritsky) 指出了他所在州西部地区的 Brood X 就是一个例子。两万年前，冰盖延伸到今天辛辛那提以北的地方。由于当时陆地被冰雪覆盖，俄亥俄州西部没有森林，因此也没有蝉。然而，大约在 14,000 年前，冰盖向北退去。“森林出现了，周期性蝉也随之而来，”克里茨基解释说。俄亥俄州还有其他三个 17 年蝉虫群，每个虫群都占据该州自己的区域。“俄亥俄州 17 年蝉的分布与冰河时代形成的地理区域相匹配，”他观察到。
周期性蝉能够适应气候变化，部分原因是它们的生命周期长度具有一定的可塑性：它们可以以四年为增量加速或减速它们的出现时间表。但这种灵活性并不能保证它们的长期生存。Brood XI 自 1954 年左右就已经灭绝；其他虫群正在衰落。克里茨基说，主要的威胁是栖息地丧失。1919 年，美国农业部预测 Brood X 将因森林砍伐而灭绝。
绘制周期性蝉出现的地图有助于科学家衡量虫群的状况。几十年来，研究人员一直要求公众报告目击事件——早年通过明信片，后来通过电话和电子邮件。现在，他们正在使用克里茨基和他的同事开发的一款名为 Cicada Safari 的应用程序来众包数据，该应用程序允许人们提交他们遇到的任何蝉的图片和视频，并实时查看 Brood X 出现的地图。“1902 年，美国农业部绘制地图的基础仅仅是收到的不到 1,000 张明信片，”克里茨基说。今年，通过该应用程序，“我们希望获得 50,000 张照片。” 这是对 2021 届 Brood X 的恰如其分的送别。