1億年前的蟬可能不那么“吵”人

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大約在1億年前，知了可能無法響亮地鳴叫，更不會在夏日的午后擾人清夢。

近期，中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱南京古生物所）科研人員與多國學者合作，對化石和現存蟬總科類群的解剖學特征進行了分析，研究發現早期的蟬可能無法發出響亮的聲音，還報道了已知最早的蟬總科末齡幼蟲化石。相關研究成果1月8日發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

“這是一項很有意思的研究，對我來說似乎還有點“追星”成功的感覺。”論文一作、南古所博士姜慧告訴《中國科學報》，“在研究中，悉尼大學教授David Emery贈予了僅存在于澳大利亞的現生螽蟬標供我開展研究，一些此前經常在文章中出現的‘大牛’成為我的合作者，一起完成了研究。”

早期演化歷史知之甚少

蟬俗稱知了，是日常較為常見的昆蟲，他們的鳴叫聲頗具特色，時常出現在炎炎夏日的午后。

姜慧介紹，現生蟬總科包括兩個科：在全球分布廣泛的蟬科和孑遺于澳大利亞的螽蟬科。蟬總科最早的化石發現于三疊紀（2.5億年前至2億年前）地層，中生代（包括三疊紀、侏羅紀和白堊紀）蟬總科化石較為豐富，但多是保存在巖石中的翅膀標本，學術界對其身體形態特征和幼蟲特征研究和了解較少。

目前，學術界對蟬總科的早期演化歷史，特別是古生態習性還知之甚少。

在南京古生物所研究員王博、張海春的指導下，姜慧利用光學顯微鏡、計算機斷層掃描成像技術、系統發育和形態空間等分析方法，總結和分析了中生代蟬總科的化石記錄，并重新檢視了保存有完整身體結構的化石和現生螽蟬科和蟬科的解剖學結構。

研究發現，中生代蟬總科昆蟲化石包含了蟬總科、螽蟬科和蟬科的干群。先前歸入螽蟬科的一些中生代化石，在系統發育關系上可能更接近現代蟬科。據此，研究人員推測，現代蟬科和螽蟬科的兩個譜系至少在中侏羅世就已經出現了分化。

由于保存問題，昆蟲化石的分類通常依賴于保存下來的部分形態特征。“我們對蟬的成蟲和幼蟲的局部結構進行了形態空間分析，發現蟬科化石中高度特化的同源結構可能包含了先前所忽略的過渡特征。”姜慧說。

研究結果初步闡明了蟬總科化石系統發育關系以及形態和生態習性的早期演化歷史，并重建了化石和現生蟬總科類群的系統發育關系。

姜慧介紹：“通過對這些過渡特征結構進行更細致的研究，可以更精確地理解形態特征的演變，并有助于闡明昆蟲宏演化的模式。”

螽蟬不發出鳴叫聲

研究發現，聲音信號是許多動物傳遞信息的重要手段。

“現生蟬科類群能夠發出昆蟲中最響亮的聲音，最大可達120分貝。通常，雄性鳴蟬利用發達的鼓膜肌牽引鼓膜致使其來回彎曲產生聲音，腹部作為共振腔進一步放大這些聲音。”姜慧說。

然而，螽蟬雖有鼓膜和鼓膜肌，但不發達，并缺乏共振腔，它們不發出鳴叫聲，而是通過傳輸振動信號進行交流。兩種截然不同的信號傳遞機制引發了對蟬類發聲結構及其行為演化的推測。

姜慧介紹：“我們的研究在蟬總科化石中首次發現了鼓膜結構，這也是在化石記錄中的首次報道。”研究發現鼓膜結構存在于所有蟬總科干群中，且雌性和雄性均保存有鼓膜結構，因此鼓膜結構代表了蟬總科的一個祖征。

姜慧等人通過化石分析研究表明，白堊紀中期（約1億年前）的蟬可能沒有復雜的發聲和聽覺器官，它們無法發出響亮的聲音，更可能像現代螽蟬一樣通過基質傳遞振動信號進行交流。

研究發現，白堊紀中期蟬總科末齡幼蟲和蟬蛻化石，這是目前已知最早的蟬總科末齡幼蟲化石記錄。姜慧介紹：“它們具有與現代蟬幼蟲相似的前足，呈鐮刀狀脛節與擴張膨大的股節相契合形成抓握結構，這表明它們具有強大的土壤挖掘和運輸能力，可能演化出了與現代蟬幼蟲類似的地下生活習性。”

“我們發現化石幼蟲具有明顯增大、膨脹的前唇基和后唇基，并且兩側肌肉痕明顯，以及長刺吸式口器。”姜慧說，這與蟬總科現生類群的唇基和口器形態相似，表明它們極可能已經演化出強大的食竇肌，能夠克服負壓和刺穿植物木質部導管以吸取木質部汁液為食。

“一次很棒的國際合作”

姜慧從南京古生物所取得博士學位后，前往國外從事博士后工作，這些年來她一直研究蟬化石材料。

“它們生活在億年前，被保存下的概率非常小，能夠發現這些化石材料，并有機會去研究它們是一件很幸運的事情。”姜慧告訴《中國科學報》，“研究這些化石讓我有一種與時間對話的感覺，聽它們訴說億年前的故事和感受上億年的時光，太美妙了。我希望能夠通過研究把它們以前的事情和故事告訴更多的人，去展示好這些可愛的小家伙。”

姜慧認為，古生物學研究是一件很有趣的事情。首先古生物學研究本身提供了學習探索地球上古老生命的豐富歷史和演變過程的機會，在如此長時間尺度下進行研究，以及對比現代研究，可以感受和意識到更多的宏觀和微觀演化規律，可以很好的幫助思考更多事情的發展趨勢。

在姜慧眼中，古生物學研究可以探索大自然中的有機物質和無機物質，可以感受到大自然的美好和神奇，也提供了一個更本質的認識事情的機會。“研究過程中，我們需要學習多學科知識，使用先進科學儀器，參與廣泛的合作，這些過程本身就是不斷突破自己的認知和能力。”她告訴《中國科學報》，“我看到很多國內外研究者對自己領域的堅持、熱愛和認真，對于知識交流，分享和幫助，也結交了不同國家的好友，碰撞出科研的火花，這也是非常有趣的。”

姜慧在研究中也會遇到各種困難，她發現只要想辦法，把大問題拆成小問題，就可能一步一步被克服解決，比如一點一點耐心的收集數據、處理數據、分析數據，去不同的單位與同學科或者不同學科的學者交流等，簡言之就是主動積極、有原則地去尋找解決辦法。

以這項研究為例，研究中使用到僅存在于澳大利亞的現生螽蟬標本，是姜慧在自然愛好者網站上結識的David Emery贈予的，這讓姜慧對現存的螽蟬有個更清楚的結構認識。“現生螽蟬只有1屬2種，相關研究資料比較少，David提供的一些標本，很好地解決了我對于現生螽蟬成蟲幼蟲形態不清楚的問題。”姜慧透露，“我們也以David的姓氏來命名了一塊蟬化石作為感謝。

“我們這項研究由波蘭，美國，澳大利亞，德國，緬甸以及捷克等單位的學者共同完成，包括研究現代鳴蟬的學者、化石蟬類學者、節肢動物學者、古生態學學者、埋藏學學者，以及研究材料產地的緬甸本地學者，是一次很棒的國際合作。”姜慧告訴《中國科學報》，“大家可以從不同認識和角度提供經驗，建議和思路，共同合作促進研究工作和蟬類化石的研究發展。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44446-x

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