Почему периодические цикады появляются строго каждые 13 или 17 лет

Периодические цикады, обитающие на востоке Северной Америки, обладают одной из самых необычных стратегий выживания в мире насекомых. В отличие от обычных цикад, которые появляются каждый год, эти виды, принадлежащие к роду Magicicada, проводят почти всю свою жизнь под землёй — ровно 13 или 17 лет — и лишь затем массово выходят на поверхность. Именно такая строгая периодичность и вызывает наибольшее удивление: почему именно эти два числа, а не 12, 15 или 10 лет?

Большую часть жизни нимфы цикад проводят под землёй, питаясь соком корней лиственных деревьев. Они развиваются очень медленно, а их выход на поверхность происходит синхронно в огромных количествах — иногда миллиарды особей на относительно небольшой территории. Взрослые цикады живут всего несколько недель. Они спариваются, самки откладывают яйца в ветки деревьев, после чего погибают. Вылупившиеся личинки падают на землю, зарываются и начинают новый многолетний цикл.

Главная причина такой продолжительной подземной жизни и точной периодичности связана с защитой от хищников. Когда цикады наконец появляются, их настолько много, что птицы, рептилии, млекопитающие и даже собаки просто не в состоянии съесть всех. Это явление получило название «насыщение хищников». Хищники наедаются до отвала, а значительная часть цикад успевает отложить яйца. Стратегия «слишком много для всех» работает только при массовом и синхронном появлении.

При этом периодические цикады не появляются все разом каждые 13 или 17 лет. У них есть две отдельные параллельные группы. Одни популяции живут по 13-летнему циклу и выходят на поверхность каждые 13 лет. А другие — по 17-летнему циклу. Эти популяции живут в разных регионах востока США и почти не пересекаются по времени выхода. Внутри каждой группы все особи одного выводка синхронизированы практически идеально. Миллиарды нимф одновременно выходят из земли в один и тот же год. При этом каждое поколение имеет свой номер и свой год выхода. Например, Brood XIX — это 13-летний, выходит примерно в 2024, 2037, 2050 и т. д., а Brood XIII — это 17-летний и выходит в 2024, 2041, 2058 и т. д.

Однако иногда (например, в 2024 году) происходит редкое совпадение, когда 13-летний и 17-летний выводки выходят в один и тот же год, а в отдельных местах их ареалы частично перекрываются.

Но почему же именно раз в 13 и 17 лет? Оба эти числа — простые. Это свойство делает такие циклы эволюционно выгодными. Если бы цикады выходили, например, каждые 12 лет, то хищник с 2-летним, 3-летним, 4-летним или 6-летним циклом мог бы «подстроиться» под них. Его вспышки численности совпадали бы с появлением цикад почти каждый раз. В результате давление хищников на цикад было бы постоянным и очень сильным.

С простыми числами такая синхронизация практически невозможна. Например, при 17-летнем цикле хищник с 5-летним периодом встретится с цикадами лишь раз в 85 лет. Хищник с 3-летним циклом — раз в 51 год. Чем меньше общих делителей, тем реже совпадения. Математические модели и компьютерные симуляции, проведённые биологами и математиками (включая работы по взаимодействиям «хищник — жертва»), показывают, что именно простые числа в диапазоне примерно 10-20 лет дают наибольшую защиту от хищников при сохранении стратегии массового выхода. Это не просто любопытное совпадение, а результат естественного отбора, где популяции с такими циклами получали преимущество в выживании.

Кроме того, длинный подземный период сам по себе снижает вероятность встречи с хищниками в уязвимые годы (например, холодные или засушливые сезоны). А использование простых чисел дополнительно минимизирует шансы на регулярное совпадение с циклами любых потенциальных преследователей.

Есть ещё одна важная деталь. У периодических цикад присутствует внутренний «счётчик» сезонов (основанный, вероятно, на накоплении тепла и других сигналах), который позволяет даже ослабленным или хорошо накормленным нимфам синхронизироваться и выходить именно в запланированный год. Именно это обеспечивает ту самую массовость, без которой стратегия не сработала бы.

Ранее выдвигались и другие гипотезы, например, что длинный цикл связан исключительно с климатом ледникового периода или с медленным ростом деревьев-хозяев. Однако эти объяснения не отвечают на главный вопрос: почему именно 13 и 17 лет. Современные модели показывают, что именно сочетание массового выхода и простых чисел даёт максимальное эволюционное преимущество.

Таким образом, строгая периодичность в 13 и 17 лет — это не случайность и не «математическая прихоть» природы. Это результат длительного естественного отбора, в ходе которого выживали и оставляли больше потомства именно те популяции, чьи циклы были наименее предсказуемы для хищников. Появляясь редко, массово и в «простые» интервалы, периодические цикады превратили свою уязвимость в одно из самых эффективных средств выживания среди насекомых.