Почему североамериканские цикады прячутся в земле десятилетиями

Североамериканские периодические цикады известны тем, что устраивают нашествие на поверхность раз в 13 или 17 лет (в зависимости от вида, к которому они принадлежат). 

Газеты и новостные сайты, как водится, начали нагнетать панику с февраля. «Восточные штаты готовится к нашествию цикад! — писали они, — не назначайте свадьбу на лето, а то ваш жених не услышит, согласны вы или нет!» Можно было подумать, что страну ожидает налет саранчи или еще какие-то казни египетские. Некоторые журналисты даже перепутали цикад с саранчой (в сельских районах цикад нередко называют словом locusts, которое вообще-то означает саранчу).

На самом деле речь шла о довольно безобидном природном явлении, наблюдать которое где-нибудь в США можно в среднем примерно два раза в три года. Повышенное внимание СМИ объяснялось в основном тем, что в 2021 году это явление должно было произойти в основном в окрестностях Вашингтона, где расположены центральные офисы многих медийных компаний.

К счастью, в наше время нетрудно получить и объективную информацию, было бы желание. В марте я зашел на сайт зоологов университета Коннектикута, изучающих периодических цикад, взглянул на подробную карту, увидел, что один из районов, где ожидается появление цикад, находится всего в часе езды от моего дома, и решил обязательно свозить туда жену и детей, которые никогда еще этого чуда североамериканской природы не видели.

В середине мая я заглянул на сайт iNaturalist.org, где зоологи и натуралисты-любители делятся сведениями о встречах разной флоры и фауны, и узнал, что больше всего сообщений о волшебных цикадах (так дословно переводится их научное название Magicicada) в нашем штате поступает из небольшого парка на окраине городка Принстон. Туда мы и направились.

Цикады — в основном обитатели обширных лесов, но почему-то наиболее впечатляюще их появление обычно выглядит в небольших рощах. Первое, что вы слышите, попав в лес или парк, где много периодических цикад — их пение в кронах деревьев, неумолчный хор, напоминающий шум в прижатой к уху большой раковине (послушайте сами на видео ниже). Вблизи пение миллионов цикад может быть оглушающе громким, достигая уровня ста децибел — это примерно как звук реактивного истребителя, пролетающего над вами на высоте 300 метров.

Земля в лесу вся в небольших дырочках — следах выхода личинок цикад. Под деревьями валяются кучи сброшенных шкурок, а на стволах деревьев сидят их владельцы, еще не успевшие подняться в кроны. В таких местах всегда очень много птиц, белок, бурундуков и прочих любителей наесться до отвала, а по ночам под деревьями собираются змеи-щитомордники (Agkistrodon contortrix), которые ловят личинок. Вообще, едят цикад все, от ос до медведей, и даже в местной кухне есть несколько старинных блюд из цикад, ныне, правда, почти забытых.

Следы выхода цикад на поверхность U.S. Department of Agriculture

Все это, в общем, не так уж необычно. Цикады многочисленны во многих теплых странах, и на востоке США их полно каждое лето. Есть и такие, которые появляются не каждый год, а с определенными интервалами — например, индийская «футбольная цикада» (Chremistica ribhoi) с четырехлетним циклом развития, которая появляется только в годы чемпионата мира по футболу. Уникальность североамериканских периодических цикад в их массовости, а также в том, что стадия подземной личинки у них длится очень долго — 13 или 17 лет — и в каждой местности они появляются именно с таким интервалом. 13-летние цикады распространены на юго-востоке США, а 17-летние — на северо-востоке.

Естественная история

Индейцам, жившим в бескрайних лесах, еще недавно покрывавших восточную треть США, об этом было отлично известно, но они почти поголовно вымерли от европейских болезней или были убиты прежде, чем приезжие стали интересоваться их знаниями о местной природе. А колонистам потребовалось почти 200 лет, чтобы обратить внимание на периодичность массового появления цикад. Шведский натуралист Пер Кальм (Pehr Kalm) узнал о периодичности появления цикад от индейца-проводника в середине XVIII века. В конце XVIII века равные интервалы между годами появления цикад заметил натуралист-любитель Бенджамин Бэннекер (Benjamin Banneker). Он прожил долгую жизнь и дважды успешно предсказал появление 17-летних цикад в своем родном штате Мэрилэнд. Но он был чернокожим, поэтому его открытие было в основном проигнорировано официальной наукой, и вспомнили о его работах только несколько лет назад, в результате изучения его дневников. Прошло еще сто лет, прежде чем энтомолог Чарльз Мэрлатт (Charles Lester Marlatt) всерьез занялся изучением периодических цикад по всей их области распространения. В 1907 году он опубликовал о них целую книгу, и стало понятно, насколько это удивительные существа. Впрочем, неразгаданных тайн в их жизни хватает и по сей день.

Сегодня мы знаем, что периодических цикад семь видов: четыре 13-летних и три 17-летних. Эти виды несколько различаются внешним видом и песнями, но все виды, обитающие в той или иной местности, появляются одновременно. Кроме видов, периодические цикады делятся еще на так называемые выводки (broods) по годам появления. Теоретически могло бы существовать тринадцать выводков 13-летних цикад и семнадцать выводков 17-летних, то есть всего тридцать, но в реальности их уже лишь пятнадцать: два вымерли за последние сто лет. Так что с нами осталось двенадцать выводков 17-летних цикад и всего три выводка 13-летних. Области их распространения почти не пересекаются и сплошь покрывают территорию восточных штатов пятнами неправильной формы.

Карта распространения разных выводков цикад с годами выхода на поверхность. Прогноз до 2029 года, составленный Лесной службой США в 2013 году  USDA Forest Service

Цикады питаются соком деревьев, до которого добираются с помощью острого хоботка. Взрослые сосут сок из молодых веток, а личинки — из корней, к которым прокладывают сеть туннелей на глубине до метра (в редких случаях — до десяти). Самцы собираются в кронах так называемыми хорами и вместе поют, привлекая самок. Звук они производят с помощью вибрирующих перепонок на нижней стороне брюшка. Время от времени каждый самец совершает облет хора, проверяя, не прилетели ли новые самки. Если он находит неоплодотворенную самку, то поет особые короткие песенки, а она отвечает призывным подрагиванием крыльев, звук шуршания которых у разных видов отличается. Больших перепонок для пения у самок нет, зато маленькие перепонки — органы слуха — есть у обоих полов.

Самки цикад откладывают яйца (иногда более пятисот) в надрезы на толстых ветках. Личинки вылупляются уже после смерти родителей, через месяц-два, падают на землю и тут же закапываются. За время жизни под землей они четыре раза сбрасывают шкурку, а когда приходит срок, строят вертикальный тоннель почти к поверхности и ждут, пока почва не прогреется до 18 градусов. Тогда они выползают наружу (обычно вечером), забираются на стволы деревьев или высокие травинки и последний раз сбрасывают шкурку, превращаясь во взрослых цикад. Примерно час, пока не расправятся крылья и не затвердеет новая шкурка, цикады остаются прозрачно-белыми и особенно уязвимыми для хищников. Полное затвердевание шкурки занимает несколько дней.

Процесс превращения часто дает сбои, особенно в холодную погоду, так что на стволах деревьев остаются миллионы цикад, не сумевших полностью выбраться из шкурки личинки и погибших. Наверное, очень обидно провести 17 лет под землей ради трех недель песен и полетов в залитых солнцем кронах деревьев и в последний момент погибнуть от голода из-за того, что ваша нога застряла в старом костюме. Иногда личинки по неизвестным причинам «ошибаются» и выходят на поверхность на год или четыре раньше или позже срока. Такое чаще случается в необычно жаркие годы, после холодных лет, или после особенно сильных гроз.

Почему 13 и 17?

Разумеется, ученых очень интересует, почему периодические цикады в каждой местности появляются на поверхности раз в 13 или 17 лет. Более-менее общепризнано, что появление всех цикад в одно и то же время — способ защиты от хищников, которые просто не в состоянии нанести значительный урон внезапно появившимся в неимоверных количествах насекомым (плотность популяции цикад может превышать 300 миллионов на квадратный километр). Долгий срок развития — тоже защита от хищников и паразитов, которым трудно самим научиться появляться с таким же интервалом. Периодические цикады настолько полагаются на защиту многочисленностью, что довольно медлительны, неосторожны, и поймать их намного легче, чем других цикад, а будучи пойманными, они могут только кричать и пытаться уколоть врага хоботком. Не известно ни одного хищника, который питался бы только периодическими цикадами. Но почему именно 13 и 17?

13 и 17 — простые числа. Теория полувековой давности предполагала, что это тоже способ защиты от врагов. Если бы цикады появлялись, например, раз в 16 лет, то паразит или хищник мог бы появляться раз в 4 или 8 лет и «ловить» массовый выход цикад, соответственно, при каждом четвертом или втором своем появлении. А если число простое, то его надо воспроизводить в точности, для чего требуется выработать в ходе эволюции более сложный механизм.

Тридцать лет назад появилась другая, подтвержденная данными компьютерного моделирования теория, согласно которой, когда-то существовали популяции цикад с разной длиной цикла. Для защиты от хищников и паразитов было выгоднее иметь как можно более длинный цикл, поэтому цикады, у которых в результате мутаций длина цикла увеличивалась, стремились избежать гибридизации с остальными. Если интервал между выходами на поверхность у них был простым числом, они реже совпадали по времени выхода с цикадами, у которых цикл был короче.

Диаграмма, иллюстрирующая то, как могли в ходе скрещивания появиться цикады с 17-летним циклом, при условии что 13-летний цикл — доминирующий признак  Randel Tom Cox / The American Midland Naturalist, 1988

Ранее предполагалось что, эволюция периодических цикад произошла очень быстро — за десять-двенадцать тысяч лет со времени окончания последнего ледникового периода, но позже появились данные, согласно которым этот процесс занял более миллиона лет. Согласно еще одной теории, более многочисленные и широко распространенные выводки постепенно вытесняют остальных. Именно поэтому сейчас осталось только 15 выводков из 30 теоретически возможных. У 13-летних цикад, которые живут южнее, этот процесс начался раньше, поэтому у них осталось всего три выводка, а у 17-летних — целых двенадцать. Предполагается, что число выводков будет продолжать сокращаться, и через несколько тысяч лет все цикады с 13- или 17-летним циклом по всей области распространения будут появляться в одно и то же время.

Есть, однако, и противоположная теория, согласно которой в начале был только один выводок 17-летних цикад, а все остальные произошли от цикад, которые однажды ошиблись со временем выхода в результате каких-то экстремальных погодных явлений — и так породили новые вариации периода.

Как взаимодействуют 13-летние цикады с 17-летними, неизвестно. Согласно одной теории, с потеплением климата 13-летние будут продвигаться на север и вытеснять 17-летних. Согласно другой — 17-летние более «эволюционно продвинутые», так что будет наоборот. Время покажет.

Нелегко быть цикадой

Интересно, что хотя благодаря длинным циклам развития цикадам удалось избежать появления хищников, которые бы питались только ими, полностью избавиться от паразитов они все же не смогли. Их поражает особый грибок Massospora cicadina, который разрастается в брюшке самцов (брюшко у самцов в норме почти пустое, так как служит резонатором для песен). Грибок делает самцов бесплодными (хотя они по-прежнему пытаются спариваться с самками, заражая их грибком) и меняет поведение: они начинают призывно подрагивать крыльями, как самки, так что другие самцы приближаются к ним и пытаются спариваться, при этом тоже заражаясь. С середины июня грибок перестает производить споры, предназначенные для заражения взрослых цикад, и вместо них вырабатывает другие споры, которые падают на землю и там заражают личинок. Личинки болеют грибком бессимптомно, пока не превратятся во взрослых.

Самец цикады, зараженный грибком Massospora cicadina

G. Edward Johnson / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0

Как грибку удается менять поведение самцов, точно не известно, но выяснилось, что он содержит ряд психоактивных веществ, способных влиять на самых разных животных. Исследования в этой области начались недавно, и могут привести к очень интересным результатам.

Роль периодических цикад в экологии их мест обитания тоже начали изучать относительно недавно. Известно, что в последние два года перед выходом цикад деревья образуют более тонкие годичные кольца: их рост замедляется из-за того, что выросшие личинки высасывают слишком много сока из корней. В результате дубы, например, не дают в такие годы желудей, что приводит к снижению численности белок. Численность кротов же в такие годы наоборот, растет, а в первые два года после выхода цикад падает, потому что молодые личинки еще слишком маленькие, чтобы служить кротам пищей. Многие птицы, от дроздов до диких индеек, в годы появления взрослых цикад выкармливают больше птенцов, а голубые сойки специально мигрируют туда, где появляются цикады. У некоторых индейских племен сохранились легенды о том, как в тяжелые времена появление цикад спасало их от голода.

Сейчас тяжелые времена наступили для многих насекомых: они вымирают из-за потери местообитаний, загрязнения среды пестицидами и прочими вредными химикатами, завезенных людьми паразитов и болезней, изменения климата и многих других, часто непонятных причин. Пока непохоже, чтобы периодическим цикадам что-либо всерьез угрожало, хотя число личинок, выходящих на поверхность раньше срока, повышается в очень жаркую погоду и, вероятно, с потеплением климата будет расти. Однако в истории полно примеров, когда обычные виды внезапно становились редкими или исчезали. Самое многочисленное в мире насекомое — североамериканская саранча (Melanoplus spretus) — вымерло всего за 20 лет в результате распашки речных долин в прериях. Будем надеяться, что периодические цикады, это загадочное чудо природы, будут и дальше радовать нас своими недолгими песнями.