Разгадана тайна 17-летнего цикла цикад

Схематическое объяснение того, как нимфы 17-летних цикад принимают решение о выходе на поверхность. Автор: Kyoto U / Teiji Sota

Периодические цикады имеют один из самых странных жизненных циклов в животном мире. 17-летние цикады проводят 99,5% своей жизни под землёй в недоразвитом состоянии нимфы, что является самым длительным строго регулируемым ювенильным периодом среди насекомых.

Затем весной на 17-м году жизни они одновременно появляются на поверхности, и самцы «кричат» в течение своей четырёх-шестинедельной взрослой жизни. То, как именно эти насекомые способны контролировать время своего созревания и появления, оставалось загадкой.

Долгий жизненный цикл периодических цикад делает выращивание нимф для изучения чрезвычайно трудным. Однако недавно совместная группа исследователей из Японии и США, включая команду из Университета Киото, решила взяться за эту загадку.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

Исследовательская группа предложила теорию, включающую четырёхлетние «ворота развития» на основе критической массы тела. Они предположили, что нимфы проверяют массу своего тела на каждом четырёхлетнем этапе, и если их вес превышает критическое значение, они принимают решение появиться следующей весной.

«Периодические цикады рода Magicicada — чрезвычайно загадочная группа насекомых, и то, как они контролируют свои жизненные циклы, — это загадка, которую я хотел разгадать», — говорит автор-корреспондент Тэйдзи Сота.

Исследовательской группе удалось изучить рост, развитие и экспрессию генов нимф в возрасте от 11 до 16 лет, выкопав нимф, принадлежащих к разным годовым когортам или выводкам, в разных районах восточной части США осенью. Они также проанализировали экспрессию генов 17-летних нимф непосредственно перед появлением.

Согласно выводам группы, решение о выходе на поверхность обозначается изменением цвета глаз с белого на красный. Почти все наблюдаемые 16-летние нимфы были красноглазыми с большой массой тела, вероятно, выше критического порога.

Кроме того, небольшая, но значительная часть 12-летних нимф имела красные глаза и большую массу тела, чем белоглазые представители их выводка. В отличие от них, нимфы других возрастов почти всегда были белоглазыми, даже если имели большую массу тела.

Более того, у красноглазых нимф наблюдалась повышенная экспрессия генов, отвечающих на внешние стимулы и способствующих развитию взрослой морфологии. Однако гены для взрослого метаморфоза и линьки, или сбрасывания экзоскелета, экспрессировались только после зимовки в 17 лет.

Эти результаты согласуются с гипотезой команды, но некоторые загадки остаются.

«Самым загадочным и сложным компонентом нашей гипотезы контроля жизненного цикла является часовой механизм, отсчитывающий четырёхлетний цикл», — говорит Сота. — «Если четырёхлетний механизм подсчёта существует, он может быть основан на эпигенетическом цикле».

Это исследование было сосредоточено на 17-летних цикадах, но основные компоненты этого механизма контроля жизненного цикла, как ожидается, одинаковы у 13-летних цикад. Врождённая генетическая разница в скорости роста между 13- и 17-летними цикадами может привести к четырёхлетней разнице в достижении критической массы тела, что исследователи планируют изучить в будущем.

ИИ: Это исследование демонстрирует, насколько сложными и удивительными могут быть механизмы эволюционной адаптации. Способность цикад синхронизировать своё появление с такой точностью через столь длительные промежутки времени продолжает поражать воображение и напоминает нам, сколько ещё загадок скрывает природа.