Liczby pierwsze chronią Brood X przed wszystkim ale nie przed grzybami zombie

Po 17 latach spędzonych pod ziemią tryliony cykad wyłonią się tej wiosny, aby wydawać z siebie charakterystyczny dźwięk – tzw. “pieśń zalotna” samców a pnie drzew pokryją wylinki cykad.

To dość dziwne, że podczas Brood X – jak znany jest ten ogromny lęg cykad – w jakiś sposób udaje im się zsynchronizować lęg po prawie dwóch dekadach pod ziemią. Jeszcze dziwniejsze jest to, że cykady mogą używać matematyki, aby chronić się przed drapieżnikami – cóż, przed większością drapieżników. Bez względu na to, co robią te cykady, nadal są podatne na grzyby, które zamieniają je w zombie.

Okazuje się, że oczekiwane w maju pojawienie się cykad to historia obejmująca ewolucję, matematykę i kilka naprawdę prymitywnych pasożytów.

Istnieje wiele gatunków cykad, których cykl życiowy jest częściowo podziemny, a częściowo powierzchniowy. Niektóre gatunki pojawiają się co roku, inne co kilka lat. Ale istnieje siedem gatunków prawdziwych dziwaków: cykliczne cykady, z których wszystkie mają 13-letnie lub 17-letnie wzorce lęgów. Te cykliczne cykady są ukochanym gatunkiem zarówno entomologów, jak i matematyków, ponieważ może nie być przypadkiem, że zarówno 13, jak i 17 to liczby pierwsze.

Matematyka owadów

Cyklady okresowe są podzielone na lęgi oznaczone cyframi rzymskimi, w zależności od tego, gdzie pojawiają się i jak długie są ich cykle życiowe. Niektóre występują na stosunkowo małych obszarach. Na przykład Brood I pojawia się w Wirginii i Wirginii Zachodniej co 17 lat.

Jednak lęg, które ma pojawić się w tym roku, jest duży. Lęg X, znany również jako „Great Eastern Brood”, pojawił się ostatnio w 2004 roku. Członkowie tego lęgu zamieszkują Dystrykt Kolumbii i 15 stanów: Delaware, Georgia, Illinois, Indiana, Kentucky, Maryland, Michigan, New Jersey, Nowy Jork , Karolina Północna, Ohio, Pensylwania, Tennessee, Wirginia i Wirginia Zachodnia.

Okresowy cykl życiowy cykady rozpoczyna się na drzewach. Rodzice składają jaja na gałęziach drzew, młode następnie „schodzą do korzeni” – powiedział Joe Ballenger, entomolog i doktorant z University of Wyoming. Tam żywią się sokiem z drzew, „dopóki nie osiągną wystarczającego wieku”.

Co dziwne, lęgi rozwijają się pod ziemią w różnym tempie, powiedział Ballenger. Gdyby ktoś dziesięć lat po zejściu do korzeni lęgu do ziemi szukał nimf cykady, znalazłby nimfy różnej wielkości i na różnych etapach rozwoju. Jednak do 16 roku życia wszystkie nimfy cykady będą na tym samym etapie. W jakiś sposób – i nikt nie wie jak – nimfy cykad wiedzą jak się zsynchronizować.

W 17 roku robi się ekscytująco. Kiedy gleba ogrzewa się do 17,8 stopni Celsjusza, cykady wykopują się z ziemi, linieją, a następnie krążą wokół w poszukiwaniu partnerów. Rezultat jest spektakularny: wylinki przyklejone do wszystkiego, piskliwe “pieśni zalotne” wypełniające powietrze, niezdarnie latające robale wlatujące wprost w niewinnych przechodniów. Jako dziecko w Iowa, Ballenger widział kiedyś jelenia pokrytego cykadami tylko dlatego, że owady były wszędzie i nie były szczególnie wybredne, jeśli chodzi o miejsce, w którym siedzą.

Ogromna liczba cykad pojawiających się jednocześnie ma działanie ochronne. To strategia zwana nasyceniem drapieżnikiem [predator satiation]. Zasadniczo ptaki i inne drapieżniki mogą zjeśc tyle cykad, ile chcą, i to naprawdę nie ma znaczenia; jest ich tak wiele, że owady nadal będą mogły rozmnażać się w ogromnych ilościach.

Długi okres między lęgami może również zaskakiwać drapieżnikom. Na przykład dzikie rudziki żyją zazwyczaj około 5 lub 6 lat. Oznacza to, że pojawienie się cykad raz na 17-lat jest czymś, co może zaskakiwać rudziki. Innymi słowy, lęgi cykad są tak rzadkie, że rudziki nie mogą tak naprawdę ewoluować, aby w pełni z lęgu skorzystać. To samo dotyczy innych drapieżników, w tym niektórych drapieżnych os, które chwytają cykady, paraliżują je i składają w nich jaja. Jak powiedział Ballenger, osy produkują określoną ilość jaj, a pojawienie się cykady jest tak niezwykłe, że osy nie mogą po prostu ewoluować, aby wyprodukować więcej jaj.

Jednak 13- i 17-letnie lęgi cykad mogą być jeszcze bardziej rozsądną strategią. Zarówno 13, jak i 17 to liczby pierwsze, co oznacza, że ​​można je podzielić tylko przez 1 i siebie. Rzadkie lęgi cykad nie pokrywają się z cyklami populacji drapieżników. Na przykład, gdyby cykady pojawiały się co 10 lat, byłyby podatne na drapieżniki, których populacja rosła w cyklu jednego, dwóch, pięciu lub dziesięciu lat. Gdyby lęgi odbywały się co 12 lat, byłyby smaczną przekąską dla każdego drapieżnika w cyklu jednego, dwóch, trzech, czterech, sześciu lub 12 lat. Ale trzynaście lat? Tylko jeden i 13. To samo dotyczy cyklu 17-letniego.

Glenn Webb, matematyk biologiczny z Vanderbilt University w Tennessee, przeprowadził modelowanie matematyczne, które sugeruje, że gdyby cykliczne cykady nie używały cykli liczb pierwszych, ich liczba dramatycznie spadła lub by wyginęły. W artykule z 2001 roku w czasopiśmie Discrete & Continuous Dynamical Systems, Webb porównał przeżycie cykad w cyklach od 10 do 18 lat. Cykle trzynastoletnie i 17-letnie wypadły najlepiej, dając stabilną populację. Inne opcje cykli doprowadziły do ​​spadków, a cykle 10-, 12- i 18-letnie doprowadziły do ​​dramatycznych strat lub nawet wyginięcia populacji.

Nie wszyscy zgadzają się, że te modele są poprawne, powiedział Webb, ale według jego matematyki cykle drapieżników występujące co dwa do trzech lat wydają się mieć duży wpływ na przetrwanie cykady.

„To kontrowersja” – powiedział. „I nie wiem, kiedy zostanie to rozstrzygnięte, ponieważ nie jest łatwo przeprowadzić eksperymenty czy zebrać dane”.

Przechytrzanie ludzi, pokonanie przez grzyby

Wyzwanie polega na tym, że długie cykle życia cykad nie pasują zbyt dobrze do życia ludzkich naukowców. Większość doktorantów ma około trzydzieści lat przed ukończeniem studiów, a wielu z nich musi pracować w czyimś laboratorium jako badacze z tytułem doktora. Entomolog kochający cykadę może mieć 40 lat, zanim zacznie opracowywać własny program badawczy w zakresie okresowych badań nad cykadami. Powiedzmy, że 40-letni badacz bada swoje pierwsze wylęganie się Brood X w tym roku. Gdy następnym razem pojawią się cykady, będzie miał 57 lat, więc będzie mógł zebrać “drugą rundę danych”, a potem…  “trzecia runda badań” w wieku 74 lat – prawdopodobnie będzie już na emeryturze. To nie jest harmonogram, który działa dobrze w modelu akademickim „opublikuj lub zgiń”.

Dlatego wiele badań nad cykadą to niefinansowe projekty poboczne, powiedział Ballenger. „Fakt, że niewiele o nich wiemy, stwarza wiele tajemnic” – powiedział.

Więc może cykady używają liczb pierwszych, aby się chronić, a może nie. Ale jest jeden drapieżnik, którego na pewno nie przechytrzają matematycznie: grupa grzybów o nazwie Massospora.

Massospora są naprawdę przerażające. Zarodniki grzybów zarażają cykady, które wykopują się z gleby wczesną wiosną. Zainfekowane cykady początkowo wyglądają normalnie, ale grzyb szybko kolonizuje ich tylne części ciała, zamieniając je w masę zarodników. Jednak cykady nie umierają, powiedział Brian Lovett, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Zachodniej Wirginii, który bada grzyby niszczące owady. Zamiast tego poruszają się, upuszczając nowe zarodniki, gdziekolwiek się pojawią.

„Opisujemy je w naszym laboratorium jako latające solniczki śmierci” – powiedział Lovett.

Cykada Brood IX (17-letnia cykada, która pojawia się w Wirginii, Wirginii Zachodniej i Karolinie Północnej) zakażona grzybem Massospora. Tylna połowa owada została zastąpiona zarodnikami grzyba .(Zdjęcie: Brian Lovett, WVU)

Grzyb podaje zainfekowanym cykadom amfetaminę zwaną katynonem, która również występuje w roślinie khat. Ten związek jest prawdopodobnie wytwarzany przez samego grzyba (chociaż naukowcy nie są pewni, czy grzyb może skłonić cykady do wytworzenia substancji) i wydaje się, że utrzymuje owady na tyle czujne, aby podskakiwały, nawet gdy ich tylne końce rozpuszczają się. Grzyb ma również dziwny wpływ na samce cykad, które zaraża: zamiast latać dookoła i poszukiwać partnerki, samce cykady zaczynają zachowywać się jak samice, machając skrzydłami w sposób wskazujący, że są “zainteresowane” kopulacją z samcem.

„Ponieważ tylna połowa ciała została zainfekowana zarodnikami, [nowy] samiec zaraza się grzybem” – powiedział Lovett.

Jest możliwe, że grzyb wytwarza związek, który włącza kobiece zachowanie, powiedział Lovett. Możliwe jest również, że jest to tylko efekt uboczny rozpadu narządów rozrodczych samca, co jest również korzystne dla grzyba.

Massospora infekuje nie tylko okresowe cykady; lubią też coroczne cykady. Oznacza to, że nie odstrasza ich 13- lub 17-letnie cykle. Lovett powiedział, że te ogromne wzrosty populacji cykady są dobrodziejstwem dla grzybów, a znaczna część populacji cykady jest prawdopodobnie zarażona przed końcem sezonu. Jednak nadal utrzymuje się nasycenie drapieżnikiem. Jest o wiele więcej cykad, niż zarodniki mogłyby zarazić przed zakończeniem sezonu godowego, więc ogólna liczba cykad pozostaje wysoka.

Lovett i jego koledzy pracują nad genetycznym sekwencjonowaniem gatunków Massospora, aby zrozumieć, w jaki sposób są spokrewnione i jak ewoluowały razem z cykadami. Próbują się też dowiedzieć, czy i jak grzyb produkuje amfetaminę i jakie zmiany zachodzą w samcach cykad.

Źródło: Stephanie Pappas

The prime number periodical cicada problem

Zdjęcie: Joe McDonald/Getty

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x