In weiten Teilen des Ostens der USA passiert alle paar Jahre etwas, das an eine biblische Plage erinnert: Über Nacht kriechen Milliarden Zikaden aus dem Boden, besetzen Bäume, Zäune und Häuserwände und erfüllen ganze Landstriche mit ohrenbetäubendem Lärm. Nach wenigen Wochen ist der Spuk vorbei, und dann kehrt für exakt 13 oder 17 Jahre Ruhe ein. Periodische Zikaden verbringen fast ihr gesamtes Leben unsichtbar unter der Erde und erscheinen nur in einem einzigen, streng getakteten Moment. Ausgerechnet die Zahlen hinter diesem Takt gelten als einer der wenigen Fälle, in denen reine Mathematik über Leben und Tod entscheidet.
Zikaden gibt es weltweit in vielen Arten, und die meisten erscheinen Jahr für Jahr in überschaubarer Zahl. Die periodischen Zikaden Nordamerikas, wissenschaftlich als Magicicada bezeichnet, brechen mit diesem Muster auf spektakuläre Weise. Statt jährlich aufzutreten, bleiben sie 13 oder 17 Jahre lang als Larven im Boden verborgen und saugen dort an den Wurzeln von Bäumen. Erst wenn diese lange Frist abgelaufen ist, schlüpfen sie fast alle gleichzeitig, oft mehrere zehntausend Tiere auf einem einzigen Quadratmeter. Die Frage, warum Zikaden alle 17 Jahre in solchen Massen erscheinen, beschäftigt Fachleute seit über hundert Jahren. Denn die gewählten Zeiträume sind kein Zufall, sondern folgen einem Muster, das sich als erstaunlich raffinierte Überlebensstrategie entpuppt.
Das Auffälligste an diesen Zeiträumen ist eine mathematische Eigenschaft: 13 und 17 sind Primzahlen, also nur durch sich selbst und durch eins teilbar. Auf den ersten Blick wirkt das wie eine Spielerei der Natur, doch genau darin liegt der Schlüssel. Die Länge des Zyklus und seine Teilbarkeit entscheiden darüber, wie gut die Tiere ihren Feinden entkommen. Ein Massenauftritt alle 17 Jahre lässt sich von keinem Fressfeind mit kürzerem Lebensrhythmus zuverlässig vorhersehen. Damit stehen periodische Zikaden für einen seltenen Fall, in dem eine reine Zahleneigenschaft, die Primzahl, einen direkten Vorteil im Überlebenskampf bringt. Wie dieser Vorteil genau funktioniert und wie die Tiere die vielen Jahre unter der Erde überhaupt zählen, sind zwei getrennte Rätsel, die die Forschung erst nach und nach entschlüsselt.
Periodische Zikaden leben 13 oder 17 Jahre als Larven unter der Erde und schlüpfen dann fast alle gleichzeitig. Beide Zahlen sind Primzahlen. Dieser lange, nur durch sich selbst teilbare Rhythmus macht es Fressfeinden mit kürzerem Lebenszyklus nahezu unmöglich, sich dauerhaft auf den Massenschlupf einzustellen. Genau darin liegt der Überlebensvorteil.
Während gewöhnliche, jährlich erscheinende Zikaden über den Sommer verteilt und in kleiner Zahl auftreten, setzen die periodischen Arten alles auf eine Karte. Die Larven durchlaufen unter der Erde mehrere Entwicklungsstufen und ernähren sich vom dünnen Saft der Baumwurzeln, was ihr langsames Wachstum erklärt. Ist der Zeitpunkt gekommen, graben sich alle Tiere eines Jahrgangs nahezu synchron an die Oberfläche, häuten sich ein letztes Mal und leben als erwachsene Tiere nur noch wenige Wochen. In dieser kurzen Zeit geht es allein um Paarung und Eiablage. Die Weibchen legen ihre Eier in dünne Zweige, die Larven fallen nach dem Schlüpfen zu Boden und graben sich ein, und der lange Zyklus beginnt von vorn. Dieses Alles-oder-nichts-Prinzip ist der Kern ihrer Strategie.
Der wichtigste Erklärungsansatz stammt aus der Ökologie und wird seit den 1960er-Jahren diskutiert. Fressfeinde wie Vögel, Spinnen oder kleinere Räuber haben meist Lebens- und Vermehrungszyklen von zwei bis fünf Jahren. Erschienen die Zikaden etwa alle zwölf Jahre, könnten sich Räuber mit einem Zwei-, Drei-, Vier- oder Sechs-Jahres-Rhythmus immer wieder passend darauf einstellen, weil zwölf durch all diese Zahlen teilbar ist. Ein Zyklus von 17 Jahren dagegen ist durch keine dieser Zahlen teilbar. Kein Fressfeind mit kürzerem Rhythmus kann seinen eigenen Vermehrungsgipfel dauerhaft mit dem Massenschlupf zusammenfallen lassen. Dass gerade Primzahlen diese Schutzwirkung entfalten, macht die periodischen Zikaden zu einem Musterbeispiel dafür, wie abstrakte Zahleneigenschaften biologisch wirksam werden.
Die zweite Säule der Strategie ist die schiere Menge. Wenn Milliarden Tiere gleichzeitig erscheinen, können Fressfeinde nur einen winzigen Bruchteil davon vertilgen, so viel sie auch fressen. Dieses Prinzip nennen Fachleute Räubersättigung: Der Tisch ist so reich gedeckt, dass die überwältigende Mehrheit der Zikaden übrig bleibt und sich fortpflanzen kann. Lokale Dichten von mehreren hunderttausend Tieren pro Hektar sind belegt. Dazu kommt der Lärm: Die Männchen erzeugen mit speziellen Trommelorganen einen Gesang, der in großen Schwärmen die Lautstärke einer Kettensäge erreichen kann und Weibchen anlockt. Verschiedene Arten treten oft gemeinsam auf und schlüpfen im selben Jahr, unterscheiden sich aber durch ihre Rufe und paaren sich getrennt. So verbindet der Massenschlupf zwei Vorteile: den Schutz durch die Menge und den Schutz durch den seltenen, unvorhersehbaren Zeitpunkt.
Ein bis heute nicht restlos gelöstes Rätsel ist die Frage, wie die Larven über mehr als ein Jahrzehnt die Zeit messen. Sie besitzen keine Uhr, und doch schlüpfen die Tiere eines Jahrgangs im richtigen Frühjahr fast auf die Woche genau gemeinsam. Als wahrscheinlich gilt, dass die Larven jahreszeitliche Signale im Saft der Baumwurzeln registrieren und so die vergangenen Jahre gewissermaßen abhaken. Eine aktuelle Untersuchung in den Proceedings of the Royal Society B verbindet Feldbeobachtungen mit Erbgutdaten und beschreibt ein einfaches Zähl- und Schwellenprinzip, das über viele Jahre hinweg zum synchronen Schlupf führt. Auch die Bodentemperatur spielt eine Rolle: Erst wenn der Boden im letzten Jahr eine bestimmte Wärme erreicht, brechen die Tiere gemeinsam hervor.
Wie diese außergewöhnlichen Zyklen entstanden, führt weit in die Erdgeschichte zurück. Nach verbreiteter Auffassung entwickelte sich die feste Periodik in kühlen Phasen der Eiszeiten, als kurze, unzuverlässige Sommer eine streng synchronisierte Fortpflanzung begünstigten. Eine Modellstudie zur Evolution dieser Periodizität zeigt, wie sich unter solchem Klimadruck feste Lebenszyklen durchsetzen konnten. Erst danach setzten sich die Primzahl-Zyklen durch, weil sie am seltensten mit anderen Jahrgängen zusammenfallen. Ein 13-Jahres- und ein 17-Jahres-Zyklus treffen am selben Ort rechnerisch nur alle 221 Jahre aufeinander, was eine Vermischung der Populationen erschwert. So fügen sich Räubersättigung, seltener Zeitpunkt und die Vermeidung von Kreuzungen zu einem stimmigen Bild. Am Ende bleibt ein Insekt, das den Großteil seines Lebens im Dunkeln verbringt und dessen Überleben an einer Primzahl hängt.
Für die Menschen in den betroffenen Regionen ist ein solcher Massenschlupf ein einschneidendes, aber harmloses Ereignis. Die Tiere stechen nicht, beißen nicht und übertragen keine Krankheiten; der größte Effekt ist der ohrenbetäubende Lärm und die Menge abgestorbener Zikaden nach wenigen Wochen. Für das Ökosystem hat der plötzliche Überfluss messbare Folgen: Vögel, Säugetiere und andere Tiere profitieren kurzfristig von der reichen Nahrung, und die Fortpflanzung mancher Arten steigt in einem Zikadenjahr sprunghaft an. Wenn die toten Tiere zerfallen, düngen sie außerdem den Waldboden. Selbst junge Bäume tragen Spuren, weil die Weibchen ihre Eier in dünne Zweige ritzen. Der 17-Jahres-Takt prägt damit nicht nur die Zikaden selbst, sondern für kurze Zeit ein ganzes Waldökosystem, bevor wieder Jahre der Stille folgen.
Proceedings of the Royal Society B, Decoding the periodical cicada clock: field evidence and genomic insights; doi:10.1098/rspb.2025.2739