NEOSCAN
高分辨显微CT
今年不少上海市民通过社交媒体反映，上海的蝉鸣，堪称“蝉灾”！白天叫完晚上叫，根本无法入睡。更有网友表示，在不下雨的炎热夏日，经过大树下，被莫名液体浇了一头，摸到手上舔一下，还是甜的。
随着“上海蝉灾”、“上海蝉尿如雨”等词条登上热搜，我们不禁思考：为什么今年蝉会“爆发式出现”？蝉鸣为什么格外聒噪？本期小编将借助显微CT技术对蝉的标本进行高分辨率无损扫描，带你深入了解蝉如何“制造”震耳欲聋的夏日蝉鸣。
蝉灾怎么来的？
01
蝉其实是极少数拥有“周期性爆发”能力的昆虫之一。它们大多数时间都生活在地下：
从卵孵化成若虫后，就会钻入土中，吸食植物根部汁液；
地下生活长达3～7年不等，有些周期蝉（如北美17年蝉）甚至超过十年；
当条件成熟、代际时间一致时，成千上万只蝉会在某一年同时出土，完成蜕皮、鸣叫、交配、产卵，最后死去。
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图片来源于网络
这就形成了蝉的“大年”和“小年”：在大年，大批蝉同步羽化、鸣叫，城市会陷入“蝉灾”；在小年，蝉出土数量稀少，夏天可能格外安静。
据文献资料，上海常见的三种蝉——黑蚱蝉（5年周期）、蟪蛄（3年周期）、蒙古寒蝉（7年周期）。正是因为今年蝉种群到了它们的“爆发年”，再叠加上温湿度适宜、城市绿化丰富，为蝉的孵育和活动提供了理想条件，才出现了密度超标 + 声音爆表 + 空中落雨的“蝉鸣风暴”。
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图片来源于网络
蝉鸣是如何产生的？
02
我们都知道蝉很吵，但你可能不知道，它们的叫声并不是用嘴巴发出来的，而是一套极其高效的“机械振动系统”。
雌蝉基本上没有完整的鼓膜结构，也不会鸣叫。鸣叫是雄蝉用来吸引雌性的“情歌”，也是在宣示领地和驱逐其他竞争者。
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雄性蝉和雌性蝉的对比示意图 图片来源：香港科学馆
蝉的发声器官叫做“tymbal（鼓膜）”，不是指我们耳朵里的鼓膜，而是一种位于蝉腹部的硬质膜片结构，具有弹性肋条，能被快速拉动和回弹，从而制造声音。
蝉的发声系统通常包括三部分：
鼓膜（tymbal）：主振动部件，相当于“扬声器震膜”；
发声肌（tymbal muscle）：负责牵拉鼓膜，类似一个高频机械手；
共鸣腔（resonating cavity）：增强音量，相当于天然扩音器。
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蝉的发声器示意图 图片来源于文献【1】
每次肌肉的快速收缩和释放，都会让鼓膜内陷—回弹，发出“啪、啪”的声音。快速连发，就成了“吱吱吱”的连续鸣叫。
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视频来源：香港科学馆
这种结构的效率极高，几毫米大小的昆虫，发出的声音却可以高达 100 分贝以上，相当于人类嘶吼或地铁驶入车站的音量！
显微CT揭示：
蝉的发声器官结构有多复杂？
03
我们用 Neoscan N80 高分辨显微CT扫描了蝉类标本，通过显微CT，我们得以观察蝉的发声器官在三维空间中的真实位置、形态和差异：
鼓膜肋条清晰可见：在显微CT图像中，鼓膜显示为带有数条并列肋条的薄膜状结构，排列整齐，形似手风琴。这些肋条决定了鼓膜的弹性与振动频率，是声音的“根源”。
发声肌与鼓膜紧密连接：显微CT 能够分辨出发声肌的位置，它们沿着腹部内壁分布，连接至鼓膜下方。肌肉每次收缩就拉动肋条凹陷，发出一声。
共鸣腔扩声结构明显：显微CT 图像还显示蝉腹部内部为一个中空共鸣腔，其结构犹如音箱，起到放大音波的作用。
使用 Neoscan N80 显微CT扫描福尔马林浸泡的雄蝉标本，内部“V型”鼓室肌及中空共鸣腔清晰可见。
使用 Neoscan N80 显微CT扫描干燥的雌蝉标本，图像清晰显示雌蝉没有鼓膜结构，无法发声。
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蝉鸣虽扰人，却是自然的奇迹
04
我们常听蝉鸣，却很少见过蝉鸣的“样子”：从几毫米的腹部空间中发出如此强烈的声音，仅靠机械式肌肉拉动和膜片震动完成，全靠进化打造的“生物喇叭”，没有声带、没有电源，却几乎做到了极致效率。显微CT技术让声音变得可视化，让“噪音”背后的结构被看见。
当我们换个角度看待蝉鸣，或许就能多一点理解，少一些烦躁。这个夏天，不妨听一听窗外的“夏日交响”，想象每一声“吱吱”背后，那一块块在振动的蝉鼓膜。
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【1】Nahirney, Patrick & Forbes, Jeffrey & Morris, H. & Chock, Susanne & Wang, Kuan. (2006). What the buzz was all about: Superfast song muscles rattle the tymbals of male periodical cicadas. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 20. 2017-26. 10.1096/fj.06-5991com.
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