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
红眼周期蝉每13年或17年出现一次，但找出原因可能需要数千年
在“科学难以解决？”中，我采访了科学家，了解他们渴望探索但认为无法研究的想法。例如，它们可能涉及超出可能性的机器，例如像太阳一样大的粒子加速器，或者它们可能完全不道德，例如涉及人类的致命实验。这个专题旨在探讨不可能的梦想，科学中看似棘手的问题。然而，“科学难以解决？”末尾的问号表明，没有什么是不可能的。
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博拉·齐夫科维奇，《大众科学》博客网络的编辑和时间生物学家。
想法： 现在，就在我居住的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、听起来不祥的声音——通常被描述为“恐怖电影配乐”——来自社区周围的树林，”他说。“
蝉出现了！”
这些不是每年都会重新出现的绿眼年度蝉，而是
每13年或17年重新出现的红眼周期蝉，这个特定的种群，XIX 种群，以 13 年为周期再次出现。它们同时出现，以成虫身份生活几周，爬上树，鸣叫，交配，产卵，然后死亡。当卵孵化时，幼虫从树上掉到地上，挖入地下，抓住树根，等待 13 年或 17 年再次出现。
“我一生都在等待这一刻，”齐夫科维奇说。“我之前没有注意，所以我不知道它们
计划今年在我所在地区出现。幸运的是，一旦它们出现，蝉就会出现几周。” 因此，尽管他旅行日程繁忙，但他还是设法拍摄了一些照片和短视频。
对于像齐夫科维奇这样的时间生物学家来说，他们研究
驱动每个生物体的周期，周期蝉提出了引人入胜的谜题。“它们是如何数到 13 或 17 的？”他问道。“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 年只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？”他补充说，也许这些周期是两个或多个生物钟之间相互作用的结果，或者对同一物种的其他成员在成熟昆虫挖掘到地表时发出的声音敏感。
它们选择 13 或 17 有什么原因吗？“关于周期蝉为何每 13 年或 17 年出现一次，有很多假设和推测，包括一些关注这两个数字是
质数（pdf）这一事实，”他指出。“也许这是一种愚弄捕食者的方式，使它们无法进化出相同的周期性。但是捕食者仍然存在，并且很乐意吞食这些手无寸铁的昆虫，无论它们何时出现，即使这可能对它们不利。”
他补充说，也许周期的精确长度有助于将物种分开，从而降低最近分裂的姐妹物种之间杂交的风险。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 年出现的“姐妹物种”——M.tredecim、M. tredecassini 和 M.tredecula ——最近的物种分裂产生了另一个 13 年物种 M. neotredecim。物种之间在形态和颜色上存在
差异，但姐妹物种对在物理上基本无法区分——它们仅在第五幼虫阶段的持续时间上有所不同。M. tredecim 和 M. neotredecim 确实在同一时间和地点出现，但它们的歌声音调不同，M.neotredecim 的歌声音调更高。
齐夫科维奇说，也许周期的长度没有特定的适应性目的，“而质数周期的奇怪之处在于观察者，即人类的眼中”。他很想解开这个谜团——“这是一件会引起你注意的事情，”他说。
问题： 分析持续十年以上的生物节律是一项非凡的挑战。“这些实验将持续数百年，甚至数千年，”齐夫科维奇说。“哪个资助机构会资助它们？为什么有人会在明知结果不会在自己一生中知道的情况下开始这样的实验呢？”
即使分析生物体中相对较短的日常（昼夜节律）节律也通常需要很长时间。例如，当研究行为的日常周期如何
同步到环境周期时，例如白天和黑夜的光暗周期，“每个数据点都需要几周时间——测量环境线索的脉冲或一系列脉冲之前和之后的振荡周期和相位，以便了解在周期的特定相位应用该线索如何影响生物节律，”齐夫科维奇说。“它需要许多数据点，从许多个体生物体收集，并且自始至终都需要将生物体保持在恒定条件下——甚至不允许光、温度、气压等方面的最轻微波动。”
齐夫科维奇说：“毫不奇怪，这些类型的实验虽然有时应用于较短的周期——例如，毫秒级的大脑周期——但很少应用于长于一天的生物节律——例如，作为对潮汐、月球和年度环境周期的适应而进化的节律。”“它需要比通常的五年资助期更长的时间才能完成，而且一些实验可能会持续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。”
此外，研究生物节律的标准实验将要求科学家将蝉带入实验室，“这真的很难做到，”齐夫科维奇说。“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汁液。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，蝉可能会从树液中吸收这些节律作为时间线索。”
此外，科学家们不知道哪些环境线索可能与这些周期相关——也许是光照，或温度，或它们赖以生存的树液中的化学物质——“我们将不得不同时测试所有这些线索，希望至少其中一种被证明是正确的。”
解决方案？ “一种显而易见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，”齐夫科维奇说。也许研究人员可以对蝉基因组进行测序，并弄清楚每个基因的作用，以找出它们如何调节时间，例如通过将它们的基因插入其他昆虫并观察其影响。“这可能无法回答我们所有的问题，但可能已经足够好了，”他说。
“另一种方法是为这些实验留出空间和资金，并将它们置于不寻常的管理框架中——由一个组织指导的纵向研究，而不是单个研究人员获得资助在他的实验室中进行这项研究，”他推测。“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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照片由博拉·齐夫科维奇拍摄
更多背景资料：蝉，或者我如何成为一名科学家，或者对良好编辑的演示
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关于作者：查尔斯·Q·崔是《大众科学》的常驻撰稿人。他的作品也曾出现在《纽约时报》、《科学》、《自然》、《连线》和《生活科学》等刊物上。在他的业余时间，他游历了七大洲。在 Twitter 上关注他@cqchoi。
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