本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
最初发表于2011年5月16日在我的旧博客上。
Charles Q. Choi 在《大众科学》的客座博客上主持一个双周系列专栏 - “对科学来说太难了吗？” 在这些帖子中，他询问科学家们出于各种原因无法或不应进行的实验，尽管如果这些实验能够完成，将会既有趣又有信息量。
在他的一篇文章中，他采访了我。我提出的想法，灵感来自于我家附近周期蝉的出现，是将传统的昼夜节律实验应用于更长的13年或17年周期。
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幸运的是，Charles是一位优秀的编辑。他将我的长篇大论变成了一篇非常好的博客文章。在此阅读他的优雅版本 - 对科学来说太难了吗？Bora Zivkovic——用几个世纪来解开蝉的秘密。
现在将它与我发送给他的原始文本进行比较，就在这里发布
科学家：Bora Zivkovic，《大众科学》的博客编辑，以及一位时间生物学家。
想法：生物体中的一切都在循环。有些过程在毫秒内重复，另一些在秒、分钟或小时内重复，还有一些在天、月或年内重复。科学研究最多、理解最透彻的生物节律是那些大约每天重复一次的节律——昼夜节律。
每日节律之所以被最好地理解的原因之一是，该领域的先驱们提出了“生物钟”的比喻，这反过来又促使他们将物理学中的振荡器理论（你在学校学到的关于单摆的知识）应用于生物学。
虽然时钟比喻有时会失效，但它一直是这一研究领域中一个令人惊讶的有用且强大的想法。昼夜节律研究人员提出了各种实验方案来研究每日节律如何被同步（同步化）到环境周期（通常是白天和夜晚的光暗周期），以及生物体如何使用其内部时钟来测量其他相关的环境参数，特别是日长的变化（光周期）——它们利用这些信息来精确地测量一年中的时间，从而在适当的季节进行迁徙、换羽或交配。
这类实验——例如，针对各种环境线索构建相位响应曲线，或针对光周期现象的各种测试（夜间中断方案、骨架光周期、共振周期、T-周期、Nanda-Hamner 方案等）——需要很长时间才能完成。
每个数据点都需要数周时间：测量环境线索脉冲（或一系列脉冲）前后振荡的周期和相位，以了解在周期的特定相位应用该线索如何影响生物节律（或测量日长的结果，例如，生殖反应）。这需要许多数据点，从许多个体生物体收集。
而且在整个过程中，生物体需要保持在恒定条件下：甚至不允许光线（通常是恒定黑暗）、温度、气压等方面的最轻微波动。
毫不奇怪，这类实验虽然有时应用于较短的周期（例如，毫秒级的脑周期），但很少应用于长于一天的生物节律，例如，那些作为对潮汐、月球和年度环境周期适应而进化的节律。它将需要比通常的五年资助期更长的时间来完成，而且有些实验可能会持续一位研究人员的整个职业生涯。这也是我们对这些生物节律知之甚少的原因之一。
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我住在乡下，在南方，就在北卡罗来纳州教堂山郊外，每天我打开门都会听到震耳欲聋且听起来不祥的噪音（通常被描述为“恐怖电影配乐”），从围绕着社区的树林中传来。蝉出现了！是13年周期蝉。第XIX族。
我之前没有注意，所以我不知道它们计划今年在我这片林区出现。上周的一个早上，我在后门廊看到一只蝉，注意到红色的眼睛！一个容易记住的经验法则：绿色的眼睛 = 年度蝉，红色的眼睛 = 周期蝉。我感到兴奋！我一生都在等待这一刻！
幸运的是，一旦它们出现，蝉就会出来活动几周，因此我繁忙的旅行日程并没有阻止我去寻找它们（只需跟随声音），拍一些照片和短视频。
有三种周期蝉每17年出现一次——Magicicada septendecim、Magicicada cassini 和 Magicicada septendecula。这些物种中的每一种都有一个每13年出现一次的“姐妹物种”：M.tredecim、M. tredecassini 和 M.tredecula。一个较新的物种分裂产生了另一个13年物种：Magicicada neotredecim。物种在形态和颜色上有所不同，而13年和17年的姐妹物种对基本上彼此无法区分。M.tredecim 和 M.neotredecim，由于它们在相同的时间和地点出现，它们的歌曲音调有所不同：M.neotredecim 唱更高的音调。
那么，它们是如何数到 13 或 17 的呢？
在地下时，它们经历四次变态，因此经历五个幼虫龄期。13年和17年蝉的区别仅在于第五龄期的持续时间。它们同时出现，以成虫身份存活几周，爬到树上，唱歌，交配，产卵然后死亡。
当卵孵化时，新出现的幼虫从树上掉到地上，将自己挖得更深，抓住树根以吸食树液，并等待另外13或17年再次出现。
关于周期蝉为什么每13或17年出现一次，有许多假设（和推测），包括一些着眼于这两个数字是质数这一事实（pdf）。
也许这是一种欺骗捕食者的方式，使捕食者无法进化出相同的周期性（但无论如何捕食者都在那里，并且很乐意在这些毫无防御能力的昆虫出现时吞食它们，即使这可能对它们不利）。也许这是一种物种形成机制，降低了最近分裂的姐妹物种之间杂交的风险？
或者，也许这都只是粗糙的适应主义思维，而质数周期的奇怪之处在于观察者的眼中——人类！毕竟，如果一种昆虫每年都出现，那就没什么令人兴奋的。许多种年度蝉每年都这样做，这似乎对它们来说是一种完全适应的策略。但是，如果一种昆虫，尤其是如此巨大、嘈杂和数量众多的昆虫，非常罕见地出现，那么这是一个会引起您注意的事件。
也许我们对它们的迷恋是由于它们的地理分布。年度蝉也可能具有很长的发育时间，但它们的所有种群都在一个地方，因此昆虫每年都会出现。在周期蝉中，不同的种群出现在该国不同的地区，这使得它们在每个地理位置的出现都变得罕见和不寻常。
无论如何，我更感兴趣的是它们计时的精确性，而不是对其潜在的适应性解释。它们是如何做到如此精确的？这仅仅是它们发育生物学的副产品吗？13年或17年仅仅是五个幼虫阶段持续时间的简单相加吗？
或者我们应该将这个周期视为某种“时钟”（或“日历”）的输出？或者，也许是两个或多个生物钟之间相互作用的结果，类似于光周期现象？在这种情况下，我们应该使用昼夜节律研究的实验方案，并将它们应用于蝉的周期。
最后，有可能漫长的发育周期是由一种计时机制驱动的，但最后一年的出现同步是由另一种机制驱动的，也许是某种时钟，它可能对同种昆虫开始向上挖掘到地面时发出的声音敏感。
问题：为了应用标准实验（如构建相位响应曲线或 T 周期），我们需要将蝉带到实验室。这真的很难做到。饲养一直是研究这些昆虫的一个大问题，这就是为什么几乎所有的研究都是在野外进行的。
当在实验室中饲养时，喂养它们的唯一方法是为它们提供树木，以便它们可以从树根中吸取树液。这使得将它们保持在恒定条件下变得不可能——树木需要光照，并且会有自己的节律，蝉可能会从树液中获取这些节律作为计时线索。因此，我们需要做的第一件事是找到一种人工喂养它们的方法，而无需依赖活树作为食物。
此外，我们不知道哪些环境线索是相关的。是光周期？光照周期？还是树液中循环的东西？还是温度周期？发育激素（如保幼激素或蜕皮激素）的作用是什么？我们将不得不同时测试所有这些因素，希望其中至少有一个被证明是正确的。
第二个更明显的问题是时间。这些实验将持续数百年，甚至数千年！一些实验依赖于先前实验的结果来正确设计。谁会做这些实验？哪个资助机构会资助它们？为什么有人会在明知结果在一生中都无法得知的情况下开始这样的实验？这对科学家的好奇心来说难道不是太诱人了吗？
解决方案？一个明显的解决方案是找到在更短的时间范围内获得相同答案的方法。也许通过对基因组进行测序并弄清楚每个基因的作用（也许通过查看其他物种（如果蝇）中的等效基因，或将它们插入果蝇并观察其影响），希望找出时间是如何调节的。这可能无法回答我们所有的问题，但可能已经足够好了。
另一种方法是为这类实验留出空间和资金，并将它们置于一个不寻常的行政框架中——由一个组织指导的纵向研究，而不是由单个研究人员获得资助在其实验室中进行这项研究。这样，这项工作可能会完成，论文可能会在公元2835年左右发表。
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明白了吗？我的文本有多长和多复杂？现在回到Charles 的帖子，再次看看他是如何出色地编辑这个故事的。