Простые числа и выживание

Звучит скучновато, добавлю ещё ключевых слов, чтобы подходило для кэтсайенса: секс, эволюция, коммунизм, летающие гиперсексуальные зомби… Теперь, когда я привлёк ваше внимание, продолжим.

Речь пойдёт о периодических цикадах, насекомых с необычно длинным жизненным циклом. В мае 2024 года в США ожидалась библейская напасть — массовое нашествие цикад. Простые американцы ждали наступления мая с тревогой. Причина тряски — одновременный выход на поверхность двух выводков цикад, которые до этого провели в земле 13 и 17 лет соответственно. Обычно эти популяции не пересекаются, последний раз такое совпадение случалось в 1803 году. Всего должно было вылезти из земли ?O?V?E?R?9?0?0??0 в районе триллиона особей на территории нескольких штатов. Опытные люди запасались берушами, москитными сетками и намордниками для собак.

По всем расчётам нашествие должно было состояться. Но вдруг энтомологи ошиблись?

Если бы в США был филиал кэтньюса, Соцкий бы ещё в апреле писал, что #ничегонебудет. Но ВНЕЗАПНО массовый выход в мае состоялся, поздравляем всех причастных.

(см. первое приложенное видео, репортаж с мест. Осторожно, может быть передоз американской жизнерадостности)

В чём прикол периодических цикад, зачем им такие длинные жизненные циклы? И почему именно 13 и 17 лет?

В научпоп-роликах на ютубе есть простое объяснение — цикады удлинили цикл до простых чисел, чтобы защититься от хищников. Дескать, ни один хищник не сможет синхронизировать свой жизненный цикл с цикадами. Чтобы раз в 13 лет в момент выхода миллиардов цикад на поверхность их уже там ждал миллиард голодных ртов. Ха-ха, тупые хищники, никакое число меньше 13 вам не подойдёт, учите арифметику! А раз нет синхронизации, цикады могут невозбранно размножаться, ведь рядовые обитатели леса (с коротким циклом) всех за один раз не сожрут.

Как сказал бы заслуженный обзорщик кэтгика Алексей Петров: «я посмотрел ролик про простые числа и хищников и сейчас расскажу вам, почему это объяснение плохое».

Сначала мне гипотеза про простые числа показалась логичной. Хотел по привычке пересказать видос, обмазать луркоязом (осуждаю), тяп-ляп и заметка готова...

Но потом я прочитал пару статей энтомологов. Докладываю: хищники здесь действительно не при чём. На данный момент учёные не знают, как, зачем и, главное, нафига у цикад возникли эти длинные циклы. Также пока непонятно, как физически устроен счётчик прожитых лет и какими генами это кодируется.

Помимо периодических (десяток видов) цикад, есть обычные (OVER3000 видов). Т.е. периодические — это исключение из правила. Обычные цикады распространены по всем континентам, спокойно живут на поверхности, стрекочут себе, хищники их не съедают до конца. В чём же тут дело?

Подробно я буду разбирать на стриме со Стасом Ай-как-просто, а вы пока для начала посмотрите второй приложенный ролик от BBC. Дэвид Аттенборо, как обычно, поясняет за спаривание под симфоническую музыку. Будете представлять, как эти красноглазые цикады выглядят.

А мы поразмышляем. Зачем насекомым удлинять жизненный цикл и что это даёт?

Вроде наоборот, цикл полезно укорачивать, так изменчивость будет выше, популяция лучше приспособится к среде, ведь так?

Гипотеза 1. Долгий цикл роста из-за скудного питания. Юные цикады (нимфы) копошатся в земле, находят корни растений, протыкают их хоботками и пьют ксилемный сок. По сути это вода, которую корни отправляют из земли наверх, в побеги. Пища, прямо скажем, скудная. Это как сидеть в подвале многоэтажки и пить одну водопроводную воду. Много массы наберёшь?

Цикадам помогает микрофлора в кишечнике — они усваивают то небольшое количество аминокислот, которое в соке присутствует. Чтобы стать взрослым и выйти на поверхность, надо дорасти до нормальных размеров, пережить несколько линек. Со скудным питанием цикл сам по себе начинает растягиваться.

Но в этом есть и преимущество — в нише водоедов мало конкурентов. Органики в земле на всех желающих мало, а корешки — вот они. Если ты сумел приспособиться к скудному типу питания — это хорошая отстройка от конкурентов, никто под землёй тебе мешать не будет.

Так популяция с длинным циклом получает бонус в эволюционной гонке (перед популяцией на таком же питании, но с коротким циклом). Вышедшие на поверхность особи будут крупнее, самки смогут отложить больше качественных яиц.

В этой гипотезе отчёт цикла идёт по массе тела. И в генах запрограммировано не количество прожитых лет, а рост до нужной массы. Для цикад с нерегулярным циклом в 2-5 лет гипотеза со скудным питанием подходит. Но как объяснить регулярные точные циклы в 13 и 17 лет?

Гипотеза 2. Удлинение цикла из-за климата. Современные виды периодических цикад отделились от предков 2-3 миллиона лет. Тогда всё было, как у нас, только с ледниками и похолоданиями. Живёте в смешанном лесу умеренной зоны, а завтра хоп и оказались на границе ледника.

Представим две популяции, обе живут в такой рискованной местности. Одна выходит для спаривания каждое лето, а вторая — раз в n лет. Теоретически в первой популяции выше изменчивость, быстрее можно эволюционировать. А значит и выживаемость всей популяции выше.

Но что, если в этом лесу выдалось херовое лето? Заморозки, снежок в июне? Растения как-то переживут. Те, кто под землёй, тоже не особо заметят проблемы.

А вот у вышедших в заморозки взрослых цикад с песнями и спариванием могут быть трудности. Не все отложат яйца. Популяция пройдёт через бутылочное горлышко.

И проблема не в том, что неудачные годы случаются. Проблема первой популяции, что они будут ловить своим бутылочным горлышком каждое такое хреновое лето.

А вторая популяция, которая сумела удлинить цикл, она просто реже будет попадать в бутылку. Да, в холодное лето им тоже придётся страдать и балансировать на грани исчезновения. Но чем длиннее цикл, тем статистически меньше таких попаданий.

Это как две группы в русскую рулетку. Одни играют каждый день, вторые — раз в месяц. Вторая группа проживёт дольше.

Заметьте, в этой гипотезе ни слова про простые числа, только про удлинение цикла. Не выходите из-под земли, не совершайте ошибку.

Тут появляется новое условие. Когда выходите на поверхность летом после длительного отсутствия — постарайтесь это сделать одновременно.

Гипотеза 3. Синхронный выход для защиты от хищников. Это считай не гипотеза, а объяснённое явление, широко распространённое. Это называется защита количеством. Эволюция на стороне больших батальонов, стад и косяков.

У цикад нет защиты от нападения. А естественные враги — буквально каждый обитатель леса. Птицы, лягушки, рыбы, белочки, бурундучки — нет такого вегана, который раз в жизни не мечтал бы обожраться цикадами до отвала.

Представьте мирно спящий американский лес, где отродясь не видели никаких периодических цикад. Утром вы просыпаетесь от звука газонокосилок, которые не выключаются весь следующий месяц. Звуки издают сочные насекомые, которые даже не сопротивляются, если их хватать. Шум это неудобно, но зато вы целый день можете сидеть и кушац.

В лесу наступает коммунизм. Саша Удальцов, всё как ты и хотел, в отдельном взятом лесу происходит фазовый переход к обществу изобилия с американским размахом!

Натурально, никому в лесу больше не нужно думать о еде, вот она сидит на листьях, барахтается на поверхности прудов или валяется на земле. Причём от цикад как будто не убывает! «Слабо едите!» — говорят самцы и продолжают издавать ор с помощью тряски и вибраций.

===========================

Лирическое отступление. Как надёжно привлечь самку. Представьте себе майскую ночь в маленьком городе на юге России. Жители спят в своих домах с открытыми окнами.

А вам позарез нужно найти самку для спаривания, что вы будете делать? Самый надёжный способ — садитесь в машину, врубайте музыку погромче и нарезайте круги по району.

Я не зря вспомнил колонки в машине — у цикад аналогичные устройства, под крыльями встроенные сабвуферы-мембраны, в качестве резонатора используют брюшко. Самцы круги не нарезают, они предпочитают оккупировать одно дерево и орать оттуда. Кто крупнее телом, тот и громче. Некоторые могут выдавать до 100 децибел, как поезда на Замоскворецкой линии. Для самок громкость — это хорошо. От такого самца получатся громкие сыновья, которых в дальнейшем тоже ждёт успех в половом отборе.

Ещё один фактор привлекательности для самок — выносливость. Кто сможет орать дни напролёт, несмотря на жару — тот и получит самку через несколько дней, я гарантирую это! Берите приём на вооружение, в городе разъезжайте с музыкой даже днём.

Не хотите брать? Парни, вы издеваетесь? Я дал вам рабочую стратегию для спаривания, ей миллионы лет, а вам даже лень установить сабвуфер в батин солярис?

===========================

Вернёмся в североамериканский лес, в майский период изобилия. Как и при коммунизме, халява быстро заканчивается. Самцы цикад наконец получают секс и замолкают, дальше за дело берутся самки.

Громких колонок у них нет, зато есть кое-что получше — металлический яйцеклад! Про металл не шучу, хитиновый дилдак у них неиллюзорно легирован металлическими добавками. Этим яйцекладом самки взрезают кору на молодых побегах деревьев и помещают по 10-20 яиц в разрез. Всего одна самка откладывает 500 яиц, на этом её работа закончена.

К первому июля все взрослые особи цикад уже предстали перед божьим судом. А из яиц вылупляются личинки, первое время питаются соками побегов, потом падают вниз и зарываются в землю. Началась жизнь нового поколения в этом выводке.

А что с обитателями леса? В накладе они не остались. Птенцы и бельчата растут крепкими и здоровыми. И даже заводят больше потомства (и зря, потому что цикады в мае следующего года не вылезут). Если за один присест съедать тех, кто копил органику 17 лет — не нужно рассчитывать, что этот фокус можно повторять каждый год. Так что численность всех хищников через пару лет приходит в норму. В очередной раз рыночек эволюции решает.

Так, я уже и забыл, к чему вёл. Ага, про синхронный выход и защиту количеством. Получается, для цикад жизненно важно выходить наружу одновременно. Если сидеть под землёй долгие годы и потом вылезать в разные месяцы — популяция умрёт. Во-первых, взрослых особей будет мало и можешь не найти, с кем спариться. Во-вторых, хищники с большей вероятностью поймают всех одиночно летающих и сидящих особей.

Но как обеспечить синхронность? Как нимфы определяют нужный день в мае, когда пора вылезать? Тут установлено довольно точно — весной химический состав ксилемного сока меняется, нимфы начинают морально готовиться. Дальше весь апрель идёт прогрев ((почвы)). И когда температура верхнего слоя достигает 17 градусов, нимфы вылезают. Можно опоздать с выходом на пару ночей, тут ничего страшного.

С одновременным выходом в мае понятно, реализуемо. Вопрос в том, как цикады помнят, что прошло именно 17 лет? Как держат число в голове? Могут ли ошибиться? Может ли половина выводка вылезти в мае не того года?

Гипотеза 4. Счётчик лет подвязан не на биологические часы, а на циклы растений.

В чём сложность изучения цикад — это занимает много времени. Вот вы энтомолог и изучаете конкретный выводок. Раз в 17 лет выезжаете в экспедицию в нужные штаты, а в остальные годы что делать?

Для подтверждения гипотезы про циклы растений придумали такой эксперимент в теплице.

В кадки с персиковыми деревьями посадили 15-летних нимф. Одна группа — контрольная, их оставили в обычной теплице. Вторая — опытная. Её поставили в теплицу с искусственным освещением, где сделали чередование дня и ночи в два раза быстрее. Персиковые деревья отреагировали и прожили два сезона за год (со сбросом листьев фейковой осенью и их появлением фейковой весной).

В итоге из первой кадки цикады как положено вылезли через два года, когда им исполнилось по 17 лет. А из второй — на год раньше, когда им было 16. Так было доказано, что цикады учитывают не время в годах, а в годовых циклах растений.

(впрочем, из исходных выборок по 100 штук до конца эксперимента дожили единицы. Плюс трое цикад таки ошиблись и вылезли не в свой год. Нужно повторение на более значимых количествах, чтобы знать точно).

Что именно цикады считают, мы установили. А где хранят инфу? И какие гены отвечают за это? И как эти гены вообще появились?

Ответа нет. Геном цикад пока не расшифрован. Скрещивать их и ждать результатов — это тебе не дрозофилы, никто не даст грант на исследование длиной 17 лет. Крутись как хочешь.

Вот вам нерешённые проблемы энтомологии, займитесь на досуге:

(I) Есть три видовых группы американских периодических цикад, внутри каждой группы есть виды, которые внешне похожи, но циклы у них разные. Какой ген отвечает за различие? Пока неизвестно.

(II) Внутри одного выводка могут быть разные виды, которые между собой не скрещиваются. Выглядят по разному, издают разные звуки и т.д. Но выходят в один год на одной территории и в дальнейшем придерживаются одного цикла. Что у них общего, где этот общий ген и в гене ли дело? Пока неизвестно.

А мне осталось рассказать последнюю байку, про хитрое брюшко и эндофаллус с резьбой. Периодические цикады хорошо устроились в этом мире и кажется всех обманули. Подземные хищники поедают их каждый день, но понемногу, наземные — раз в жизни, но помногу. И при этом популяция процветает.

Но есть живое существо, которого не пугает длинный цикл. Он способен ждать долго.

Наш герой — грибок из рода Massospora, любитель анальной оккупации. Цикады заражаются им, когда живут под землёй (вариант — подхватывают заразу, когда вылезают на поверхность). Грибку нужна особь в период последний линьки. Как раз во время массового выхода цикад споры гриба активизируются, прорастают в брюшко заражённых особей и у тех натурально отваливается жопа. Жизни это пока не угрожает. После грибок впрыскивает в гемолимфу цикады пару стимуляторов, отчего той ещё больше хочется трахаться. А грибок знай себе сеет споры на землю и на других цикад.

В следующем поколении это повторится.

И вроде бы грибок не может убить весь выводок, ведь ему самому это не выгодно?

Не знаю. В таблице выводков уже много пустых мест. Периодические цикады могли бы заполнить все временные слоты, чтобы жить на одной территории, вылезать в разные года и при этом не пересекаться. Но нет, некоторые выводки своё бутылочное горлышко не прошли.

Итоговые выводы:

— длинный цикл у цикад появился скорее всего как адаптация к ледниковому периоду. В наше время цикл сохранился, тамушта в целом эта эволюционная стратегия успешна даже в хорошем климате

— цифры 13 и 17 к хищникам отношения не имеют. То, что это простые числа, даёт приятный бонус в виде редкого совпадения.

Популяции могут жить на одной территории, а при этом почти не пересекаться.

Мораль для читателей: если долго живёте с родителями и не съезжаете, объясните им, что так удлиняете свой жизненный цикл в ответ на скудное питание.

Берегите себя и удачи в половом отборе.

Источники:

1. Общий рассказ про цикад и нерешённые проблемы (на то время):

Lloyd, Dybas. The periodical cicada problem — Population ecology, 1966

2. Про эксперимент с персиковыми деревьями и удвоенным временем:

Karban, Black, Weinbaum. How 17?year cicadas keep track of time — Ecology Letters, 2000.

3. Про попытки исследовать гены разных видов одного выводка:

Fujisawa, Koyama, Kakishima, Cooley, Simon, Yoshimura, Sota.

Triplicate parallel life cycle divergence despite gene flow in periodical cicadas — Communications Biology, 2018

4. Про устойчивость популяции с длинным жизненным циклом при похолодании:

Ito, Kakishima, Uehara. Evolution of periodicity in periodical cicadas — Sci Rep, 2015

5. Про психоактивные вещества грибка, меняющие поведение заражённых особей:

Psychoactive plant- and mushroom-associated alkaloids from two behavior modifying cicada pathogens — Fungal Ecology, 2019.

Источник: vk.com

Комментарии: