近日,数万亿只蝉在蛰伏17年后于美国陆续破土而出的消息引发广泛关注。科学家指出,这是一种常见的生物现象,蝉在地下蛰伏17年是一种躲避天敌的进化策略,是自然选择的结果。
早在300多年前,欧洲殖民者在美洲大陆田纳西地区经历了大量蝉从地底冒出的现象,每公顷数百万只蝉令人震惊。几周后,蝉消失无踪。此后,这一现象每17年重复一次,周期极为准确。
科学家通过大量观测发现,蝉的生命周期多为质数。例如,北美洲北部地区的蝉周期为17年,南部地区为13年。为什么是17和13?进化论提供了合理解释:蝉的幼虫在地下以植物根茎汁液为食,经过数年或十几年后钻出地面,完成产卵后死亡。选择质数作为生命周期,可降低与天敌遭遇的概率。若生命周期为12年,则可能与生命周期为1、2、3、4、6、12年的天敌相遇,导致种群受威胁。这本质上是分解质因数的原理。
2002年,德国马普学会分子生理学研究所和智利大学的科学家通过建立“猎人-猎物”数学模型,用数论证明了蝉选择质数生命周期可稳定种群数量。该模型通过顺序推理(考虑自然生物原则)和逆向推理(根据现状回溯)均得出质数周期优先出现的结论。