Приближается большое событие в мире насекомых. Начиная где-то в апреле или мае, в зависимости от широты, один из крупнейших выводков 17-летних цикад появится из-под земли в дюжине штатов, от Нью-Йорка на западе до Иллинойса и на юге в северной Джорджии. Эта группа известна как выводок X, что соответствует римской цифре 10.
В течение примерно четырех недель лесные и пригородные районы будут звенеть от свистящих и жужжащих брачных криков цикад. После спаривания каждая самка откладывает сотни яиц на ветки деревьев размером с карандаш.
Тогда взрослые цикады умрут. Как только яйца вылупляются, новые нимфы цикад падают с деревьев и зарываются обратно под землю, начиная цикл снова.
В мире насчитывается от 3 000 до 4 000 видов цикад, но 13- и 17-летние периодические цикады восточной части США, по-видимому, уникальны тем, что сочетают длительное время ювенильного развития с синхронизированным, массовым появление взрослых.
Эти события вызывают много вопросов как у энтомологов, так и у общественности. Что делают цикады под землей 13 или 17 лет? Что они едят? Почему их жизненный цикл такой длинный? Почему они синхронизированы? И влияет ли изменение климата на это чудо мира насекомых?
Мы периодически изучаем цикад, чтобы понять вопросы о биоразнообразии, биогеографии, поведении и экологии - эволюции, естественной истории и географическом распространении жизни. Мы узнали много удивительного об этих насекомых: например, они могут путешествовать во времени, изменяя свой жизненный цикл с шагом в четыре года. Не случайно научное название периодических 13- и 17-летних цикад - Magicicada, сокращенно от «волшебная цикада»."
Естественная история
Как виды, периодические цикады старше лесов, в которых они обитают. Молекулярный анализ показал, что около 4 миллионов лет назад предки нынешних видов Magicicada разделились на две линии. Примерно через 1,5 миллиона лет одна из этих линий снова разделилась. Получившиеся в результате три линии являются основой современных периодических групп видов цикад: Decim, Cassini и Decula.
Ранние американские колонисты впервые столкнулись с периодическими цикадами в Массачусетсе. Внезапное появление такого количества насекомых напомнило им о библейских нашествиях саранчи, которые являются разновидностью кузнечиков. Вот так название «саранча» стало неправильно ассоциироваться с цикадами в Северной Америке.
В 19 веке известные энтомологи, такие как Бенджамин Уолш, К. В. Райли и Чарльз Марлатт разработали удивительную биологию периодических цикад. Они установили, что в отличие от саранчи или других кузнечиков, цикады не жуют листья, не уничтожают урожай и не летают стаями.
Вместо этого эти насекомые проводят большую часть своей жизни вне поля зрения, растут под землей и питаются корнями растений, проходя через пять ювенильных стадий. Их синхронные появления предсказуемы, они происходят по часовому графику: 17 лет на Севере и 13 лет на Юге и в долине Миссисипи. Существует несколько региональных годичных классов, известных как выводки.
Безопасность в цифрах
Ключевой особенностью биологии Magicicada является то, что эти насекомые появляются в огромных количествах. Это увеличивает их шансы на выполнение ключевой миссии на земле: нахождение пары.
Плотные эмерджентные места также обеспечивают то, что ученые называют защитой от хищников. Любой хищник, который питается цикадами, будь то лиса, белка, летучая мышь или птица, насытится задолго до того, как съест всех насекомых в этом районе, оставив многих выживших позади.
Хотя периодические цикады в основном появляются по расписанию каждые 17 или 13 лет, часто небольшая группа появляется на четыре года раньше или позже. Ранние появляющиеся цикады могут быть быстрорастущими особями, имевшими доступ к обильному питанию, а отстающие могут быть особями, у которых меньше пищи.
Если условия выращивания со временем меняются, становится важным иметь возможность переключать этот тип жизненного цикла и выходить либо на четыре года раньше в благоприятные времена, либо на четыре года позже в более трудные времена. Если внезапная теплая или холодная фаза заставит большое количество цикад совершить разовую ошибку и вылететь не по графику к четырем годам, насекомые могут появиться в достаточном количестве, чтобы насытить хищников и перейти к новому графику.
Время переписи для Brood X
По мере того, как ледники отступали на территории нынешних США примерно 10 000-20 000 лет назад, восточные леса периодически заполнялись цикадами. Временное переключение жизненного цикла сформировало сложную мозаику выводков.
Сегодня в северо-восточных лиственных лесах, где зимой деревья сбрасывают листву, насчитывается 12 выводков 17-летних периодических цикад. Эти группы последовательно пронумерованы и складываются вместе, как гигантская головоломка. На юго-востоке и в долине Миссисипи есть три выводка 13-летних цикад.
Поскольку периодические цикады чувствительны к климату, характер их выводков и видов отражает климатические сдвиги. Например, генетические и другие данные нашей работы свидетельствуют о том, что 13-летний вид Magicicada neotredecim, встречающийся в верхней части долины Миссисипи, сформировался вскоре после последнего оледенения. По мере того, как окружающая среда нагревалась, 17-летние цикады в этом районе появлялись последовательно, поколение за поколением, после 13 лет под землей, пока они не навсегда перешли на 13-летний цикл.
Но неясно, могут ли цикады продолжать развиваться так же быстро, как люди меняют окружающую среду. Хотя периодические цикады предпочитают опушки леса и процветают в пригородах, они не могут пережить вырубку лесов или размножаться в районах без деревьев.
Действительно, некоторые выводки уже вымерли. В конце 19 века один выводок (XXI) исчез из северной Флориды и Джорджии. Другой (XI) вымер на северо-востоке Коннектикута примерно с 1954 года, а третий (VII) в северной части штата Нью-Йорк сократился с восьми округов до одного с момента начала картографирования в середине 1800-х годов.
Изменение климата также может иметь далеко идущие последствия. По мере потепления климата в США более продолжительный вегетационный период может обеспечить большее количество продовольствия. Это может в конечном итоге превратить больше 17-летних цикад в 13-летние цикады, точно так же, как прошлое потепление изменило Magicicada neotredecim. Крупномасштабные ранние появления произошли в 2017 году в Цинциннати и районе метро Балтимор-Вашингтон, а также в 1969, 2003 и 2020 годах в районе метро Чикаго - потенциальных предвестников такого рода изменений.
Исследователям нужна подробная высококачественная информация, чтобы отслеживать распространение цикад во времени.
Помогите сосчитать цикады рядом с вами
Гражданские ученые играют ключевую роль в этих усилиях, потому что периодические популяции цикад очень велики, а их взрослое появление длится всего несколько недель.
Добровольцы, которые хотят помочь задокументировать появление Brood X этой весной, могут загрузить приложение для мобильных телефонов Cicada Safari, предоставить снимки и следить за нашими исследованиями в режиме реального времени на сайте www.cicadas.uconn.edu. Не упустите - следующая возможность появится не раньше, чем в 2024 году появятся Broods XIII и XIX.
Джон Кули - доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Университета Коннектикута. Он получил финансирование от Национального научного фонда и National Geographic. Крис Саймон - профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Коннектикута. Она получает финансирование от Национального научного фонда.