周期蝉
分布于北美的昆虫
周期蝉(Magicicada)是北美一类蝉的属名。其生命周期为十三年或十七年,也被称为十七年蝉十三年蝉。幼虫孵化后即钻入地下,一生绝大多数时间在地下度过,靠吸食树根的汁液生存。到了孵化后的第十三年或十七年,同种蝉的若虫同时破土而出,在4-6周内羽化、交配、产卵、死亡。卵孵化后进入下一个生命周期。
基本简介
周期蝉是北美洲最为古老的昆虫之一。若虫生活在地下,吸吮树根的汁液,时间长达13年或17年,具体取决于它的种类。时机成熟时,大批若虫同时破土而出,场面蔚为壮观。然后,它们爬到树上或其他垂直物体表面,蜕皮变成有翅膀的成虫。它们在夜间离开蝉蜕,花一夜的时间舒展新长出来的翅膀、让外骨骼硬化。
雄蝉会成群结队地呜叫,吸引雌蝉。每种周期蝉都有自己的叫声,有的种类声音很大。靠近异性时,雄蝉的叫声会变成独特的求偶声,如果雌蝉欣然回应,两只蝉就会交尾。然后,雌蝉在树枝上挖出缝隙,产下自己的卵。小若虫破壳而出,坠落到地面上,钻进树根之间,等到多年以后破土而出。
生命周期
自17世纪中叶起,科学家就一直对周期蝉的生命周期困惑不已。它们遵循着相同的基本生命周期:幼虫在地底生活13或17年,然后在夏季大量出现。它们爬上树,蜕皮,成长为成虫,然后在短短数周内,成虫相遇、交配、产卵。孵化后,幼虫会回到地底,等待下一个轮回。
相关研究
周期蝉大批涌现,捕食性鸟类数量最低:
20世纪初的研究指出,在非常规周期内出现的蝉会被捕食性鸟类吃得一干二净。这次两名研究者决定探个究竟,看看鸟的数量是怎样影响这种昆虫的生命周期的。
这篇论文的作者是沃尔特·科尼格(Walt Koenig),康奈尔大学的行为生态学家,以及安德鲁·利布霍尔德(Andrew Liebhold),美国农业部林业局的生态学家。他们二人共同研究了从1966年到2010年期间北美捕食性鸟类种群资料,主要针对15种鸟类,包括黄嘴美洲鹃(Coccyzus americanus)、红头啄木鸟(Melanerpes erythrocephalus)、家雀(asser domesticus)等以蝉为食的鸟类。研究显示,在周期蝉大批涌现的当年,这些鸟类的数量达到最低点。
十七年蝉大批出现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——正是十七年蝉再次大批出现的年份。以十三年蝉为食的鸟类遵循着类似规律。科尼格说:“蝉控制了鸟类的数量;它们给鸟设计了一条轨道,使得下一批蝉出现时鸟类的数量大幅减少。”
周期蝉用资源脉动影响环境操纵鸟类数量:
那蝉到底是怎样通过生命周期来操纵鸟类数量的呢?曾有另一项研究揭示了蝉的生物量(biomass)对环境的巨大影响。“这是一个巨大的资源脉动,滋养了一切——土壤、树木和鸟类都从中获得了丰富的营养。现在看来,(蝉)大批出现对环境的影响会持续很长时间——一直持续到下一批周期蝉出现。”科尼格说道。
该理论对周期蝉的蛰伏提供了一个新解释,但迷雾仍未散尽。“我们仍未有一个好的理论,现在仍无法解释周期蝉带来的资源脉动是如何准确地在13或17年内使鸟的数量达到最低点的,”科尼格说,“这让人百思不得其解。”
周期蝉的种群隔离和渐渗现象:
线粒体DNA标记物已用于解释周期蝉( magicicada)三个种的进化起源。这些蝉在美国东部的落叶林中以地下树根为食,在密西西比河流域和美国南部,它们的生活周期为13年,但在北部和西部,其生活周期是17年。在这些区域的某些地方几乎每年成年蝉都大群地从地下同时出现,进行交配和产卵。同时大量出现可能对这些蝉是有利的,因为如此多的量使许多个体免遭捕食。而且,长的生活周期避免了与捕食者同步出现。在同一年出现的蝉称之为“-群”( brood)。17龄蝉(M. septemdeci)的17群中的13个和13龄蝉(M. tredeci)的13群中的3个已得到鉴定,而且它们的出现方式也已被鉴定和监测。大多数的蝉都按它们的生活周期出现,但也有少数个体不按它们本身的生活周期出现。17龄蝉的生活周期中包括早期蛹生长的4年的抑制期,若这一抑制期取消,那么这一群的蝉会在13年后出现。这表明有一个基因控制着生活周期的长度。问题是13年后出现的蝉是否是17龄蝉发生了某些类型的遗传改变后而出现的呢?在伊利诺斯州有证据表明在1868年17龄蝉与13龄蝉同时出现并杂交后,随后出现的种群其成虫每13年出现一次。
为了解决这个复杂的进化和生态学问题,Martin和 Simon分析了杂种伊利诺斯州种群的腹片颜色、等位基因酶多态现象的频率(磷酸葡萄糖变位酶,PGM)和 mtdNA( Martin and simon,1988)。数据显示这个伊利诺斯州13龄蝉的 mtDNA与相邻的17龄蝉相似,而与相邻的13龄蝉不同,其腹片颜色和PGM多态频率与17龄蝉相似。这一结果与两个种群发生了杂交、13年生活周期占控制地位这样的假设是一致的。
然而,Main和 Simon反对这个关于杂交的假设。他们认为,大多数杂交是种群在狭窄地带接触而发生的,而这个新的蝉种群是大面积地发生。在整个种群中,完全消除一种 mtdNA基因型需要极强的选择,但自1868年以来只有8代蝉可供选择。而且,如果有杂交发生,那么腹片颜色和PGM多态性频率应有中间表型出现,但结果却相反。这个发现被解释为只发生了大规模的生活周期转变,而没有发生杂交。生活史的转变只是由于17龄蝉在发育过程中经历了4年的快速发育期。Martin和 Simon认为生活史长度的转变可能是由环境因素造成的,,种群密度过大。
生活周期的改变能够在以前统一发育的17龄蝉种群中打破基因漂移而启动遗传分化。新的暂时分离群的形成创造了新的遗传机会,因为它可将两个遗传上不同的种群结合在一起。将生活周期从17年转变到3年的个体同以前分离的群一样每13年同时出现一次,如果它们能够并它生能存活的后代的话,在以前独立群之间是可能发生基因漂流的。
参考资料
最新修订时间:2024-12-25 18:59
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