蝉鸣，春夏季节自然交响乐中里最为重要的音符，在每个昏昏沉沉的午后，总有那么几只蝉躲在树叶下，用丝丝蝉鸣伴我们入眠。
但，如果把这个基数放大到几百万、甚至上亿只蝉，那恐怕画面就变得有些惊悚了……
这种鼓噪的场景，正是发生在美国东部部分地区的真实写照。从本月开始，美国部分地区将迎来221年来最大规模的“蝉灾”，届时会有数万亿只蝉走出地下，进行异常喧闹的歌唱和交配活动。专家预测，今年美东部分地区每英亩土地上将会出现至少100万只蝉，大量蝉聚集产生的噪音会超过110分贝，令人崩溃。
喜爱自然的读者们想必知道，蝉是一种生活周期很独特的生物。在每年的夏末秋初，成年蝉在树枝上钻洞产卵，蝉的若虫孵化之后，就会掉落到地上钻进土里，一边吸食树木根部的汁液，一面静静地蛰伏。根据各类蝉的不同，有的蝉会在土壤里蛰伏一两年，还有的会蛰伏十几年。终于在多年之后，长大的若虫在某个夏夜破土而出，经过蝉蜕、羽化，变成会飞行的成年蝉。
在我们惯常的认知里，我们每年都可以见到蝉，每年的蝉总量也大致均衡，这是因为大多数蝉每年都有新的卵孵化，每年也有成熟的蝉破图而出——比如一种蝉需要在土壤中蛰伏3年，那么我们2017年可以见到出生于2014年的蝉，2018年可以见到出生于2015年的蝉，2019年可以见到出生于2016年的蝉。
但在美国东部的一些地方，有7种蝉却并不是这样——它们总是在同一年产卵孵化、然后在土壤中静静地蛰伏13年或17年，直到某一年又同时破土而出。而在这13年或17年中的任意一年，你完全看不到它们的踪迹！在2016年就有这样一种蝉出现在美国马里兰州，而直到2033年，马里兰州才会再次出现这种周期蝉。
因为这样奇特的习性，这7种蝉被称为周期蝉（Magicicada），它们只生活在北美东部，其中4种13年蝉主要分布在美国东南部，3种17年蝉主要分布在美国东北部及加拿大部分地区。“周期”的意思，就是指的它们会遵循某个周期集中出现。
周期蝉的这种周期性集中出现的现象十分引人注目，由于所有的蝉都集中在某一年集中出现，导致它们的总量看起来非常惊人：在周期蝉出土的年份里，你一铁锹挖下去，都能挖出几百只蝉蛹（知了猴），而每棵树上，都有几百只周期蝉再不断地向上攀爬，其密度，可以达到每英亩（大约换算成中国的6亩多一点）150万只之巨！这一壮观景象可把第一批来到北美的欧洲殖民者吓坏了，也引起了包括富兰克林在内的学者们的高度兴趣，他们马上着手研究，试图搞清楚为什么这种蝉和其它蝉如此不同。
为了方便研究，学者们把1893至1909这17年里出现的17年周期蝉分为了17个群，以1-17编号，1893到1905这13年里出现的13年周期蝉分为了13个群，一18-30编号（没错，周期蝉的同步性只在本群内部，不同群之间则是错开的）。但是，有一些年份里，是没有周期蝉出现的，所以有些编号是空白的，也有两群周期蝉曾经出现过后来却绝迹了，比如编号为11的17年蝉，在1954年之后就再也没有出现过，以及编号为21的13年蝉，在1870年之后就再也没出现过，这样现在还会定期出现的周期蝉，只剩下了15组，它们的分布情况是这样的：
现存的15群周期蝉分布地区图
是什么样的自然选择，导致了周期蝉出现了这么特殊的生命周期呢？
第一种观念认为，周期蝉起源于180万年前，其间发生了多次冰期，在冰期，会不规律的出现寒冷的夏季，虽然蝉蛹躲在土中可以躲避严寒，但如果在冷夏出土，蝉就会冻死，而出土周期较长的蝉，可以减少族群暴露在地面上的几率，最大可能的避开了这些冷夏。有研究表明，如果假设在1500年的时间里，每隔50年左右出现一次冷夏，那么，每7年出土一次的蝉，只有7%可以躲开冷夏幸存下来，每11年出土一次的蝉，只有51%的几率可以躲开冷夏幸存下来，而17年蝉，则可以有96%的几率躲开这些冷夏！
这样看来，在那个寒冷的时代里，生命周期很短的其它蝉可能都被冻死了（今天生活在当地的短寿命的蝉，可能是从别的地方搬家过来的），只有生命周期较长的蝉得以幸存。
可是为什么这些蝉只有固定的周期才会出现呢？我们还可以用2016年出现在马里兰州的17年蝉为例子。它们的祖先，很可能也和其它蝉一样，每年都会出现，每次出现的都是17年之前出生的蝉，但17年蝉也有4%的几率会遇到冷夏，可能在这漫长的冰河期内，其它的周期蝉也很不幸运的遇到了4%的小概率事件，被寒冷一窝端了，只有这一组幸存至今。
我们可以看到，周期蝉的生命周期如此的长，可能是在环境的筛选之下，被逼出来的，但是环境的恶劣也是有限度的，可能北美东北部的气候恶劣程度，刚好可以让17年以及17年左右的蝉幸存下来。尽管我们推断当时也可能演化出了20年、30年周期的蝉，但昆虫的寿命也是有极限的，很难保证这些蝉都能活这么大的岁数，一边是气候的恶劣，一边是寿命的衰减，很可能刚好到了17这个年份的时候，生存率也保证了，蝉也没有老死病死的太多，两者达到了一个微妙的平衡。相应的我们可以看到，13年蝉居住的区域更为靠南，冷夏的威力更小一些，所以13年就已经有了很高的生存几率，平衡也达到了。
但是！这里有一个关键的问题：既然17年蝉可以幸存，为什么16年蝉，18年蝉没有存活下来呢？它们躲开严寒的几率，以及活到这个岁数的几率都应该和17年差不多。
这就催生了第二个理论——周期蝉的周期性，还可能与天敌有关。
我们继续以马里兰州的这一群周期蝉为例，它们在2016年出土，数量多达几十亿只，这可把当地的鸟类、小型哺乳动物和爬行动物乐坏了，这满地都是美食，吃也吃不完，一直困扰这些蝉的天敌的食物短缺问题就这么彻底解决了。这导致天敌数量的暴增，因为原本会被饿死的蝉的天敌饿不死了；原本天敌一胎/窝生N个后代，因为食物不足只能养大1个，现在食物充足，N个都活了。
我们知道，野生动物的繁殖，受到食物的影响很大，在食物充足的情况下，很多动物都会大量繁殖，幼崽也有一个很高的存活率。在周期蝉出来的那一年，许多蝉的天敌也从中渔利，生了很多后代，这些后代也顺利长大。但周期蝉的出土周期这么长，这些“超生”出来的天敌，很可能等不到周期蝉下次出土，就饿死或老死掉了，这样周期蝉下次出土的时候，天敌的种群数量又恢复到了正常水平。
但有一些天敌的数量回落，却需要一定的周期。一些动物有自己的繁衍周期，假设一种天敌要6年才能性成熟繁殖，它的后代又要6年之后才会性成熟繁殖，虽然因为没有周期蝉吃，它们的种群数量一直是在回落的，但由于加入了繁殖这个因子，它们的种群衰落速度可能还没有那么快，这样到了繁殖到第三代的时候，其种群数量可能还是比当年的第一代要多，而很不凑巧的是，18年的周期蝉又出现了！天敌们又是大吃特吃，第三代天敌生下了海量的第四代天敌。也就是说，这种天敌的种群数量虽然会以18年为周期下滑，但每过18年，都会迈上一个新的高度，长远来看，这种天敌的总数还是在上涨的，涨到一定的程度，就有可能把周期蝉吃的越来越少。16年蝉也是同样的道理，它很可能被一种8年繁殖一代、4年繁殖一代、甚至2年繁殖一代的天敌吃绝种。
而13年蝉和17年蝉，又幸运的避开了这个可能性。因为13和17，恰好是两个质数，什么是质数呢？也就是只能被1和它自己本身整除，也就是说，除非你每年都繁殖，或者正好17年繁殖一代，否则周期蝉几乎不会成为天敌繁殖的助力器，如果天敌2年繁殖一代，那周期蝉只会在34年之后才会遇到它的繁殖期，而对于许多生物来说，34年是一个不可想象的漫长岁月，老的天敌早已死去，种群数量也早已下滑。
这也是为什么会有很多学者把周期蝉戏称为——懂数学的蝉——的原因了。
不过，这个假设也有一些细节无法完美解释，许多动物可以每年都繁殖，也就是说繁殖周期为1年，周期蝉的“质数法宝”在面对这些天敌的时候似乎是无计可施。
这些问题，可能要考虑到17年确实是一个很长的年份，许多繁殖期很短的动物，自身寿命也非常的短，还没等到下一次周期蝉出现，种群规模已经回落到很低的水平了。还有的天敌虽然6年性成熟之后可以每年都繁殖，但性成熟之后，也繁殖不了几年就衰老死掉了，而它们的后代，在第17年的时候恰好只有一部分性成熟了，所以大部队又被周期蝉躲开了，种群规模还是不断地下滑。
2012年，康奈尔大学的行为生态学家沃尔特•科尼格（Walt Koenig），以及美国农业部林业局的生态学家安德鲁•利布霍尔德（Andrew Liebhold）共同发表了一个论文，他们发现在17年蝉大批出现12年后，捕食它们鸟类的数量开始减少，最终在第17年达到最低点——正是17年蝉再次大批出现的年份。以13年蝉为食的鸟类遵循着类似规律。这种情况，很可能就是我们刚才说的那样——超生的天敌因为食物匮乏开始逐渐回落——但这两位科学家也有一个新的想法：周期蝉数量如此之大，它们是否会对当地的生态环境产生了某种影响，这种影响直接影响了天敌的数量呢？这都还有待于进一步的研究。
一种小小的昆虫，却意外地利用了质数这一数学工具，演化出颇为有效的习性，这的确超出了我们的想象，其实这蔚蓝星球上，像周期蝉这样的奇妙存在，定然不在少数其实啊，而随着我们探索的深入，便愈发能感受到生命的精妙伟大，也愈发认识到——宏伟的自然世界面前，我们人类的确还只是个懵懂的孩童。
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