周期蝉与公众科学

文/刘杰

“池塘边柳树上,知了声声地叫着夏天”…… 在美国东部,蝉带给人们的体验可没有这么惬意,甚至一度被视为“蝉灾”。2021年,美东部分地区数十亿十七年周期蝉大爆发。6月4日《科学》期刊新闻版块详细报道了该事件“To study swarming cicadas, it takes a crowd”,并强调了公众在观察追踪研究周期蝉中发挥重要作用。

据维基百科:“周期蝉属是半翅目蝉科的一属,主要分布于北美,其生命周期为十三年或十七年,也被称为十七年蝉或十三年蝉。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。在地下生活十三年或十七年后,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,而卵孵化后进入下一个生命周期。因此某一年份在美国东部一些地方每过十七或十三年就会突然出现的大量的蝉,成为一种奇景。在1898年,昆虫学家查尔斯·莱斯特·马拉特以罗马数字将周期蝉分做30种类型。前17种对应1893至1909年间出现的十七年蝉,而后13种对应到1893至1905年间出现的十三年蝉。这种分类单纯是理论上的,并没有保证其存在,因此有些群并没有发现对应的蝉,暂时空缺。1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,19,21,22,23群都出现过,第11群蝉和第21群蝉已经灭绝。因此现存一共有15群周期蝉”(https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E5%91%A8%E6%9C%9F%E8%9D%89,图1)。

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图1 美国东部周期蝉的分布(显示了美国周期性蝉所处位置以及预计出现的时间,美国农业部林务局)

雌性周期蝉在树木枝杈上产卵,大约六周后幼虫孵化掉落地面,进而钻入地下开始神秘的地下生活。通常周期蝉在地下停留17年,因幼虫成长速率差异,有一些会在地下潜伏13年(十三年蝉)甚至21年,被称为“stragglers”(离队者)。当土壤温度大约17.7度时,开始破土而出,短短一个多月里羽化、交配、产卵,完成使命后即离开这个世界。周期蝉破土而出时,在地表面留下数量众多的孔洞,起到松动土壤的作用(图2);短短的地表生存时间里,周期蝉忙着鸣叫求偶、交配、产卵;褪下来的壳和死去后的身体,又能化作肥料滋养树木,进而为下一代供食,开始新的生命周期(图3)。

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图2 周期蝉出土时留在地表的洞口(来自TNC视频:BILLIONS OF CICADAS EMERGE
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图3 周期蝉死去后化作肥料滋养土地和树木(来自TNC视频: BILLIONS OF CICADAS EMERGE

为何周期蝉会在13或17年后集中破土而出?科学家们提出过各种假说:有认为幼虫通过吸食植物根部汁液从中获得传达了树龄变化化学信息的“化学钟理论”;有幼虫可以感知土壤温度变化从而调控出土时间的“物理钟理论”;以及幼虫通过生物钟记录冬眠次数从而推算破土时机的“生物钟理论”(《周期蝉的“质数”情结》,颜飞、霍杉杉)。然而周期蝉控制出土时间的精确机制至今仍是未解之谜。这种神秘的周期蝉不仅吸引着昆虫专家,也成为业余科学爱好者不容错过的观察对象。仅靠少数科学家来试图观察和理解这类大规模出现且罕见的自然事件远远不够,因此“社区科学”(community science)或“公众科学”(citizen science)这种来自业余科学爱好者的帮助发挥了重要价值。2019年,美国圣约瑟夫山大学昆虫学家Gene Kritsky博士与该校IT中心合作创建手机应用Cicada Safari,公众可用其随时拍下周边蝉的照片、上传发送,供研究者来追踪研究蝉的种属、分布位置等信息(https://cicadasafari.org)。

公众通过Cicada Safari上传的海量周期蝉数据揭示出意想不到的现象:2020年上报的周期蝉并不是大家预期的主要分布在弗吉尼亚、西弗吉尼亚、北卡罗莱纳州的第9群,而是分布在佐治亚、南卡罗莱纳、阿拉巴马和密苏里州的第13群,该群原本是应该出现在2024年的、生命周期为十三年的蝉,现在却提前4年出现。同样情况也发生在2000年,原本应该2004年出现的第10群提前4年出现在辛辛那提。出土的蝉数量众多,远远超出其天敌数量,使得蝉可以数量取胜,顺利生存下来并完成交配。17年后,同一种的蝉会第二次出土,分布的地理范围也进一步扩展,并可能形成新的种群。

2020年Cicada Safari数据显示,不止一种、而是四种周期蝉异常出现。这种被称为“离队者”(stragglers)的蝉-即提前或者延迟发育-并不足为奇,让人惊讶的是2020年这种“离队者”出现的规模之大(数十亿只),足以形成一个全新的周期蝉种群。如果没有大量公众参与,2020年这种“离队者”事件涉及的范围很可能就被错过。其实以公众科学研究蝉的方式可以追溯到1843年。当时一位巴尔的摩的医生兼养蚕者Gideon Smith,说服报纸刊登了他的呼吁,请读者上报发现周期蝉的位置。Smith根据大家上报数据,画出十八种周期蝉的分布地图。这被认为是美国历史上第一个大规模、成功的“公众科学”运动。通过该公众科学的开展,1867年Smith去世时,已经完成了对所有已知周期蝉种群的记录工作。另一位美国农业部的昆虫学家Charles Marlatt则采用邮件形式更具体地测绘周期蝉的分布。1902年,Marlatt通过发送15000多张明信片来征集周期蝉的上报。之后,也有通过邮件和电话形式征集蝉的信息,但数据质量和侧重点变化多样。康妮迭戈大学的生态学家、生物学家Chris Simon说,她还曾经收到过错把求婚信当成周期蝉数据发来的邮件。

Cicada Safari手机应用将周期蝉的上报转为线上进行,使得新冠疫情期间有比以往更多的公众参与进来。2019到2020年间,Cicada Safari用户增加了近50%,达到1万人;2021年由于第10群周期蝉的大爆发,注册用户激增至15万6千人。2020年应用软件还增加了上传11秒视频的功能,尽管涌现出了不少小朋友们嬉戏追逐蝉的视频,但录制的蝉族大合唱片段也让研究人员证实了蝉交配的过程(注:雄蝉鸣叫声是求偶信号)。

2020年基于Cicada Safari手机应用数据的第一篇科研文章发表,马里兰大学昆虫学家Michael Raupp研究了气温对蝉幼虫出现的影响,也标志着第一次成功利用公众科学数据来回答科学问题、而不是只是简单汇报蝉的分布及出现时间。Raupp认为,来自公众的数据将能帮助解开蝉族的神秘面纱。比如,为什么“离队者”会提前或滞后出土?一种观点认为,温暖的冬季可能导致周期蝉“数错”年份,因此在错误的年份出现到地表,但还需要具体数据进一步支持或者提出其他假说。更进一步的谜团还有,为什么“离队者”倾向于按特定数目-如1年或者4年-来数错年份?如果不了解清楚影响周期蝉出土的因素,就很难保护其免受外界因素的影响,如杀虫剂、土地开发及气候变化等。Raupp提到,十七年蝉在1954年出现的第11群的几乎消失殆尽;在纽约长岛的第10群蝉的数量在过去200年里也不断下降。Cicada Safari数据可以把本土的土地利用、气候数据与周期蝉的出现关联起来,有助于科学家对周期蝉进行更全面、系统地研究。

在Cicada Safari中上传数据榜居领先位置的Michelle Watson说,当初她上网查询自己的小狗吃了蝉是否安全时,无意发现了该手机应用,从此就开始了不断侦察、上传蝉的照片与视频。本文作者下载了Cicada Safari手机应用,点开首页顶端的Leaderboard(图4a),可以看到图4b的得分排行榜,Michelle排在第8位,她的页面(图4c)显示,已上传4376张照片和39个视频。而排在第一位的Mark已上传11000多张蝉的照片。一只小小的周期蝉激发出大家对科学观察的无限热情,激励十多万人继续贡献力量。

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图4 a) Cicada Safari手机应用界面;b)侦察蝉排行榜;c)用户上传观察照片及视频

随着智能手机的普及,类似Cicada Safari的手机应用也越来越多。如美国加利福尼亚州科学院与美国国家地理学会共同创办的iNaturalist(https://www.inaturalist.org/home图5),迄今为止已有近170万名观察者进行了近7000万次观察,任何人都可以将他们对动植物的观察发布在上面,为科学家贡献宝贵数据。从追踪引进物种和帮助寻找稀有植物,到寻找具有破坏性和入侵性的昆虫,新技术使公众比以往任何时候都更容易参与科学活动,其规模可能是史无前例的。

中国作为人口大国,在开展公众科学方面具有得天独厚的人口数量优势。但如何正确引导公众,使大家对自然观察产生兴趣和热爱,并以对大自然及其中生长的动植物影响干扰最小的原则去科学观察与记录,还有待进一步探讨和思考。

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图5 手机应用iNaturalist界面
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