研究揭示蝉的早期演化历史

       蝉俗称知了。蝉以独特的发声机制、长期地下生活习性以及在文化和生物材料学方面的独特属性而闻名。近期，中国科学院南京地质古生物研究所与多国学者合作，分析了化石和现存蝉总科类群的解剖学特征，发现了早期的蝉可能无法发出响亮的声音，并报道了已知最早的蝉总科末龄若虫化石。该研究强调了化石所提供的独特的和过渡性的特征在认识生物演化的重要性，凸显了昆虫在深时森林生态系统中关键的生态角色，为更全面探讨中生代森林生态系统的特征和演化历程以及地下-地上生态系统联系提供了重要证据。1月8日，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

现生蝉总科包括两个科——全球广布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地层。中生代蝉总科化石较为丰富，但多是保存在岩石中的翅膀标本，使得我们对其身体形态特征和若虫特征研究较少。因此，目前对蝉总科的早期演化历史特别是古生态习性知之甚少。

南京古生物所博士姜慧在研究员王博、张海春的指导下，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蝉总科、螽蝉科和蝉科的干群。先前归入螽在系统发育关系上可能更接近现代蝉科。研究推测，现代蝉科和螽蝉科的两个谱系至少在中侏罗世便已出现分化。

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。本研究对蝉的成虫和若虫的局部结构进行了形态空间分析。研究基于主成分分析、非度量多维尺度分析和主坐标分析等方法量化降维特征数据，通过比较局部形态变化和系统发育的结果，发现蝉科化石中高度特化的同源结构可能包含先前忽略的过渡特征。

该研究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。对于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，有助于阐明昆虫宏演化的模式。

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。与之不同，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。

该研究首次在蝉总科化石中发现了鼓膜结构，这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。化石研究表明，白垩纪中期的蝉可能没有复杂的发声和听觉器官，无法发出响亮的声音，可能像现代螽蝉一样通过基质传递振动信号进行交流。

进一步，该研究报道了白垩纪中期蝉总科末龄若虫和蝉蜕化石，这是目前已知最早的蝉总科末龄若虫化石记录。它们具有与现代蝉若虫相似的前足，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，可能演化出与现代蝉若虫类似的地下生活习性。化石若虫具有明显增大、膨胀的前唇基和后唇基，且两侧肌肉痕明显，以及长刺吸式口器。这与蝉总科现生类群的唇基和口器形态相似，表明它们可能已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。

上述研究揭示了中生代中期蝉若虫化石与成虫化石不同的生态位和生存策略。考虑到新发现的化石材料及早期化石记录，中生代中期蝉总科个体在生命周期不同阶段已表现出鲜明的生态位分化，地下地上之间的生物量的转变，以及类似于现代蝉总科生命周期对生态系统产生的影响。

研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。

消息来源：中国科学院官网