作者:姜慧等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2024/1/15 11:08:57
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1亿年前的蝉可能不那么“吵”人

 

大约在1亿年前,知了可能无法响亮地鸣叫,更不会在夏日的午后扰人清梦。

近期,中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)科研人员与多国学者合作,对化石和现存蝉总科类群的解剖学特征进行了分析,研究发现早期的蝉可能无法发出响亮的声音,还报道了已知最早的蝉总科末龄幼虫化石。相关研究成果1月8日发表于《自然-通讯》(Nature Communications)。

“这是一项很有意思的研究,对我来说似乎还有点“追星”成功的感觉。”论文一作、南古所博士姜慧告诉《中国科学报》,“在研究中,悉尼大学教授David Emery赠予了仅存在于澳大利亚的现生螽蝉标供我开展研究,一些此前经常在文章中出现的‘大牛’成为我的合作者,一起完成了研究。”

早期演化历史知之甚少

蝉俗称知了,是日常较为常见的昆虫,他们的鸣叫声颇具特色,时常出现在炎炎夏日的午后。

姜慧介绍,现生蝉总科包括两个科:在全球分布广泛的蝉科和孑遗于澳大利亚的螽蝉科。蝉总科最早的化石发现于三叠纪(2.5亿年前至2亿年前)地层,中生代(包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪)蝉总科化石较为丰富,但多是保存在岩石中的翅膀标本,学术界对其身体形态特征和幼虫特征研究和了解较少。

目前,学术界对蝉总科的早期演化历史,特别是古生态习性还知之甚少。

在南京古生物所研究员王博、张海春的指导下,姜慧利用光学显微镜、计算机断层扫描成像技术、系统发育和形态空间等分析方法,总结和分析了中生代蝉总科的化石记录,并重新检视了保存有完整身体结构的化石和现生螽蝉科和蝉科的解剖学结构。

研究发现,中生代蝉总科昆虫化石包含了蝉总科、螽蝉科和蝉科的干群。先前归入螽蝉科的一些中生代化石,在系统发育关系上可能更接近现代蝉科。据此,研究人员推测,现代蝉科和螽蝉科的两个谱系至少在中侏罗世就已经出现了分化。

由于保存问题,昆虫化石的分类通常依赖于保存下来的部分形态特征。“我们对蝉的成虫和幼虫的局部结构进行了形态空间分析,发现蝉科化石中高度特化的同源结构可能包含了先前所忽略的过渡特征。”姜慧说。

研究结果初步阐明了蝉总科化石系统发育关系以及形态和生态习性的早期演化历史,并重建了化石和现生蝉总科类群的系统发育关系。

姜慧介绍:“通过对这些过渡特征结构进行更细致的研究,可以更精确地理解形态特征的演变,并有助于阐明昆虫宏演化的模式。”

螽蝉不发出鸣叫声

研究发现,声音信号是许多动物传递信息的重要手段。

“现生蝉科类群能够发出昆虫中最响亮的声音,最大可达120分贝。通常,雄性鸣蝉利用发达的鼓膜肌牵引鼓膜致使其来回弯曲产生声音,腹部作为共振腔进一步放大这些声音。”姜慧说。

然而,螽蝉虽有鼓膜和鼓膜肌,但不发达,并缺乏共振腔,它们不发出鸣叫声,而是通过传输振动信号进行交流。两种截然不同的信号传递机制引发了对蝉类发声结构及其行为演化的推测。

姜慧介绍:“我们的研究在蝉总科化石中首次发现了鼓膜结构,这也是在化石记录中的首次报道。”研究发现鼓膜结构存在于所有蝉总科干群中,且雌性和雄性均保存有鼓膜结构,因此鼓膜结构代表了蝉总科的一个祖征。

姜慧等人通过化石分析研究表明,白垩纪中期(约1亿年前)的蝉可能没有复杂的发声和听觉器官,它们无法发出响亮的声音,更可能像现代螽蝉一样通过基质传递振动信号进行交流。

研究发现,白垩纪中期蝉总科末龄幼虫和蝉蜕化石,这是目前已知最早的蝉总科末龄幼虫化石记录。姜慧介绍:“它们具有与现代蝉幼虫相似的前足,呈镰刀状胫节与扩张膨大的股节相契合形成抓握结构,这表明它们具有强大的土壤挖掘和运输能力,可能演化出了与现代蝉幼虫类似的地下生活习性。”

“我们发现化石幼虫具有明显增大、膨胀的前唇基和后唇基,并且两侧肌肉痕明显,以及长刺吸式口器。”姜慧说,这与蝉总科现生类群的唇基和口器形态相似,表明它们极可能已经演化出强大的食窦肌,能够克服负压和刺穿植物木质部导管以吸取木质部汁液为食。

“一次很棒的国际合作”

姜慧从南京古生物所取得博士学位后,前往国外从事博士后工作,这些年来她一直研究蝉化石材料。

“它们生活在亿年前,被保存下的概率非常小,能够发现这些化石材料,并有机会去研究它们是一件很幸运的事情。”姜慧告诉《中国科学报》,“研究这些化石让我有一种与时间对话的感觉,听它们诉说亿年前的故事和感受上亿年的时光,太美妙了。我希望能够通过研究把它们以前的事情和故事告诉更多的人,去展示好这些可爱的小家伙。”

姜慧认为,古生物学研究是一件很有趣的事情。首先古生物学研究本身提供了学习探索地球上古老生命的丰富历史和演变过程的机会,在如此长时间尺度下进行研究,以及对比现代研究,可以感受和意识到更多的宏观和微观演化规律,可以很好的帮助思考更多事情的发展趋势。

在姜慧眼中,古生物学研究可以探索大自然中的有机物质和无机物质,可以感受到大自然的美好和神奇,也提供了一个更本质的认识事情的机会。“研究过程中,我们需要学习多学科知识,使用先进科学仪器,参与广泛的合作,这些过程本身就是不断突破自己的认知和能力。”她告诉《中国科学报》,“我看到很多国内外研究者对自己领域的坚持、热爱和认真,对于知识交流,分享和帮助,也结交了不同国家的好友,碰撞出科研的火花,这也是非常有趣的。”

姜慧在研究中也会遇到各种困难,她发现只要想办法,把大问题拆成小问题,就可能一步一步被克服解决,比如一点一点耐心的收集数据、处理数据、分析数据,去不同的单位与同学科或者不同学科的学者交流等,简言之就是主动积极、有原则地去寻找解决办法。

以这项研究为例,研究中使用到仅存在于澳大利亚的现生螽蝉标本,是姜慧在自然爱好者网站上结识的David Emery赠予的,这让姜慧对现存的螽蝉有个更清楚的结构认识。“现生螽蝉只有1属2种,相关研究资料比较少,David提供的一些标本,很好地解决了我对于现生螽蝉成虫幼虫形态不清楚的问题。”姜慧透露,“我们也以David的姓氏来命名了一块蝉化石作为感谢。

“我们这项研究由波兰,美国,澳大利亚,德国,缅甸以及捷克等单位的学者共同完成,包括研究现代鸣蝉的学者、化石蝉类学者、节肢动物学者、古生态学学者、埋藏学学者,以及研究材料产地的缅甸本地学者,是一次很棒的国际合作。”姜慧告诉《中国科学报》,“大家可以从不同认识和角度提供经验,建议和思路,共同合作促进研究工作和蝉类化石的研究发展。”(来源:中国科学报 沈春蕾)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-023-44446-x

中生代森林中蝉的生态场景示意图 杨定华绘制

缅甸克钦琥珀中蝉总科成虫、幼虫和蝉蜕化石 受访者供图

 
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