Зачем цикада живет под землей 17 лет, чтобы потом прожить на поверхности всего 4 недели?

В восточной части Северной Америки обитает группа насекомых, чей жизненный цикл не имеет аналогов в мире животных. Периодические цикады рода Magicicada проводят под землей ровно семнадцать или тринадцать лет, после чего массово выходят на поверхность, чтобы прожить там всего три-четыре недели. Этот контраст между длительной подземной стадией и кратким взрослым существованием кажется нелогичным с точки зрения выживания. Чтобы понять, почему природа выбрала именно такой сценарий, нужно рассмотреть каждый этап жизни этого насекомого.

Почему существуют два разных цикла

Периодические цикады делятся на две основные группы: 17-летние и 13-летние. Разделение носит географический и климатический характер. 13-летние цикады обитают преимущественно в более южных регионах Северной Америки, где климат теплее. 17-летние цикады населяют северные, более холодные штаты.

Разница в продолжительности цикла объясняется скоростью метаболизма. В более теплой почве южных регионов личинки развиваются быстрее, и им требуется меньше времени для накопления необходимой массы и прохождения всех пяти стадий линьки. В холодных северных почвах метаболические процессы замедлены, поэтому личинкам требуется дополнительные четыре года для достижения зрелости. Оба цикла при этом остаются простыми числами, что критически важно для выживания вида.

Самый главный вопрос — почему цикл длится именно 13 или 17 лет. Ответ кроется в теории чисел. И 13, и 17 — это простые числа. Они делятся без остатка только на единицу и на само себя.

В природе популяции хищников, таких как птицы, белки, змеи и паразитические осы, часто имеют циклические колебания численности. Эти циклы обычно длятся два, три, четыре, пять или шесть лет. В случае если цикады появлялись бы на поверхности земли с периодичностью в двенадцать лет, они неизбежно сталкивались бы с опасностями в виде хищников, чьи популяции достигают пика каждые два, три, четыре или шесть лет. Хищники быстро адаптировались бы к такому предсказуемому источнику пищи, и их численность выросла бы настолько, что они могли бы полностью уничтожить популяцию цикад.

Используя простые числа 13 и 17, цикады сводят к минимуму вероятность синхронизации с циклами хищников. Хищник с двухлетним циклом встретится с 17-летними цикадами только один раз за тридцать четыре года, а с 13-летними — один раз за двадцать шесть лет. Хищник с трехлетним циклом встретится с ними один раз за пятьдесят один или тридцать девять лет соответственно. Это не дает популяциям хищников эволюционно адаптироваться к массовому появлению цикад и специализироваться на их поедании.

Подземная жизнь

Распространенное заблуждение заключается в том, что личинки цикад находятся под землей в состоянии анабиоза или спячки. На самом деле они ведут активный образ жизни. Сразу после вылупления из яйца крошечная личинка падает на землю и зарывается в почву на глубину от тридцати сантиметров до полутора метров. Там она находит корни деревьев и прикрепляется к ним с помощью специальных передних лап, оснащенных мощными копательными шипами.

Основу рациона подземной цикады составляет ксилема — жидкость, которая транспортирует воду и минеральные вещества от корней к кроне дерева. Ксилема крайне бедна питательными веществами и содержит много воды. Из-за такого скудного рациона личинка растет очень медленно. За семнадцать лет она проходит через пять стадий развития, называемых возрастами. В конце каждой стадии личинка сбрасывает старый хитиновый покров. Этот процесс требует огромных затрат энергии, которую насекомое получает из небольшого количества аминокислот и сахаров, содержащихся в соке.

Подземная среда обеспечивает личинкам стабильную температуру и защиту от большинства наземных хищников. Почва также служит буфером против экстремальных погодных условий. Пока на поверхности сменяются сезоны, происходят лесные пожары или засухи, цикады продолжают медленно питаться и расти в относительной безопасности.

Механизм выхода на поверхность

Точный механизм, который заставляет миллионы цикад синхронно начать выход на поверхность после семнадцати лет изоляции, до сих пор изучается, но науке известны ключевые триггеры. Главным сигналом служит температура почвы. Когда на глубине около двадцати сантиметров грунт прогревается до восемнадцати градусов по Цельсию, личинки начинают копать вертикальные туннели к поверхности.

Интересно, что цикады каким-то образом «считают» годы. Ученые предполагают, что насекомые отслеживают сезонные изменения в химическом составе сока деревьев или циклы цветения и опадания листвы. Поскольку они питаются корнями разных деревьев, они получают информацию о смене сезонов. Накопив семнадцать таких циклов, они инициируют массовый выход.

Выход происходит преимущественно ночью, чтобы избежать дневных хищников. Личинки выбираются из земли, находят вертикальную опору — ствол дерева, высокий стебель травы или даже столб забора и прикрепляются к ней. После этого начинается финальная линька. Хитиновый покров на спине личинки трескается, и на свет появляется взрослая цикада с мягким, светлым телом и прозрачными крыльями. В течение нескольких часов их покровы твердеют и темнеют, приобретая характерную черно-оранжевую окраску.

Четыре недели на поверхности

Взрослая жизнь цикады подчинена единственной биологической цели — размножению. У имаго (взрослых особей) ротовой аппарат сохраняется, и они продолжают пить сок деревьев, но это необходимо лишь для поддержания базового уровня энергии. Основное время и ресурсы тратятся на поиск партнера.

Самцы начинают издавать громкий стрекочущий звук с помощью специальных органов — тимбалов, расположенных на брюшке. Звук усиливается полыми камерами внутри тела, которые работают как резонаторы. Громкость хора миллионов самцов может достигать ста децибел, что делает его одним из самых громких звуков, издаваемых насекомыми. Самки, привлеченные звуком, подлетают к самцам. После спаривания самка с помощью яйцеклада делает надрезы на молодых ветвях деревьев и откладывает туда яйца. Одна самка может отложить до пятисот яиц.

Через несколько недель после вылупления взрослые цикады погибают. Их тела падают на землю, где быстро разлагаются, отдавая почве накопленные за годы азот и другие питательные вещества. После появления на свет из яиц юные особи опускаются на поверхность земли и, пробивая себе путь, погружаются в почвенные глубины, запуская старт длительного, продолжающегося семнадцать лет, жизненного цикла.

Стратегия насыщения хищников

Помимо математического расчета, цикады используют стратегию, известную как «насыщение хищников». Когда миллионы насекомых выходят на поверхность одновременно в одном регионе, они физически переполняют пищевые возможности всех местных хищников. Птицы, белки и другие животные едят цикад в огромных количествах, но они просто не могут съесть всех. Даже если хищники уничтожат девяносто процентов популяции, оставшиеся десять процентов — это миллионы особей, которых более чем достаточно для успешного размножения и продолжения рода.

Если бы цикады выходили небольшими группами в течение нескольких лет, хищники легко контролировали бы их численность, и вид бы вымер. Массовый синхронный выход гарантирует, что доля выживших особей всегда будет высокой, независимо от активности хищников.