中国科学院揭秘白垩纪早期蝉的秘密：从"哑巴"到噪音制造者
中国科学院揭秘白垩纪早期蝉的秘密：从"哑巴"到噪音制造者
近日，中国科学院南京地质古生物研究所科研人员与多国学者合作，通过新材料技术和新技术揭示了白垩纪早期蝉的演化历史。研究发现，这些早期的蝉可能无法发出响亮的声音，而是通过基质传递振动信号进行交流。此外，还发现了最早的蝉总科末龄若虫化石，表明它们具有强大的土壤挖掘和运输能力，以及地下生活习性。这一成果发表于《自然-通讯》，为理解昆虫宏演化的模式提供了重要证据。
一亿年前的地下世界
时间倒流至约一亿年前的白垩纪缅甸热带雨林。繁茂的森林沉浸在一片宁静中，阳光透过树冠缝隙，将斑驳的光影洒落在覆盖着苔藓和蕨类植物的湿润土壤上。空气中弥漫着泥土和植被的清新气息，时而传来清脆的鸟鸣声，时而听到小型恐龙低沉而急促的呼吸声伴随着穿行时奔跑的步伐。
在平静地表的掩藏下，丰富的生命活动正在土壤世界中悄悄展开。昏昏暗暗的地下世界里，大量蝉幼虫们正悠然地沉浸在土壤的柔软之中。这些约1亿年前白垩纪的蝉幼虫呈现出与现代蝉幼虫相似的形态特征，最引人瞩目的便是它们镰刀状的胫节与扩张膨大的股节相契合形成抓握结构的特化前足。
尽管特化的前足让它们看起来异常凶猛，但蝉幼虫并无攻击之心，特化前足仅用来帮助它们拥有更强的土壤挖掘能力，更加适应于地下生活。土壤中随处可见这些蝉幼虫的劳作成果：发达的隧道、宽敞的巢穴，还有形成半月状的沉积物回填体。
此时一只蝉幼虫的特化的前足正微微向内倾斜，在巢穴中交替地挖掘沉积物并向前移动。一块沉积物被铲向它的头部，并压实成球状团块夹在头部和前腿之间，一个180度前滚翻，沉积物被带到了身后，而后它再用前足将沉积物推向巢穴后方。
周围大部分蝉幼虫此刻正在它们的巢穴里休息或者进食。它们的巢穴通常建造在植物的根部附近，蝉幼虫用自己口器中的口针刺入植物根的木质部，唇基配合地吮吸其中的汁液用来果腹，体内的共生菌也在卖力帮它们合成所需的营养成分。这些蝉幼虫还将自己的排泄液体变废为宝，用作“自制胶水”黏合土壤，打造出坚固的地下巢穴。
就这样，亿年前的雨林土壤下静谧而祥和，生命以其轻盈的步伐，悄悄谱写着自然的故事。对蝉幼虫而言，时间在地下慢慢流淌，不知不觉可能就在地下生活了数年。现代的蝉幼虫最长可在地下生活长达17年。
幼虫到成虫的蜕变
随着夏日的来临，地面温度的累积达到某个触发点，从天色渐暗的傍晚直至月光柔和的午夜，蝉幼虫一个个小心翼翼地从地面破土而出，仿佛是自然界精心策划的一场盛大仪式。蝉幼虫到地面后，便开始寻找适宜之地，准备进行一生中重要的蜕变，以迈入生命的新阶段。它们的背部外壳开始缓缓裂开，露出新生的、柔软的成虫身体。而新生的成虫则需要用尽全力，慢慢从旧壳中挣脱出来。
经过一段时间的等待，这些刚完成蜕变的白垩纪成虫终于展现出它们的真实面貌。就在这一瞬间，时间仿佛被落下的一滴琥珀定格，琥珀巧妙地捕捉并封存了亿年前的生命场景。紧接着，镜头仿佛又被时间的手轻轻拨动，画面从古老的热带雨林穿梭回现代，最终聚焦在实验室显微镜的镜头下。
在镜头下观察，会发现这些成虫与我们熟悉的会发声的蝉科成员并不完全一样，似乎兼顾了蝉科和其姊妹类群螽蝉科特点。与庞大的蝉科家族不同，螽蝉科仅分布在澳大利亚，包含1属2种，被认为是蝉科仅存的近亲。螽蝉科和蝉科共同组成一个家族，称为蝉总科（超科级别）。
螽蝉科的显著特点是拥有一个巨大的前胸背板，前胸背板遮盖了绝大部分中胸背板，只露出末端三角状小盾片。而蝉科成员大多展示出明显的中胸背板，其末端形成了特有的十字隆起结构。
为了探究琥珀中的这些化石蝉与现代蝉科及螽蝉科之间的关系，中国科学院南京地质古生物研究所的古生物学家们采用了显微CT技术来对标本进行解析。这一技术使研究人员能够无损地对白垩纪时期以及现代蝉的成虫和幼虫身体结构进行详细检查。
实验过程是这样的：首先研究人员将标本放置于显微CT仪器内，调试好参数后，样品便开始进行360°的旋转扫描，以获得一系列X光片。接着，利用三维视图软件对这些X光片进行重构，最终生成了蝉的3D图像，从而收集了标本一系列丰富的形态特征数据。
此外，通过翻阅化石家谱记录，研究人员还获得了1.65亿年前侏罗纪时期蝉亲戚们的形态特征，并将这些数据一同纳入系统发育和形态差异分析，以了解化石蝉与现代蝉科及螽蝉科之间的关系。
分析结果表明包含现代蝉科和螽蝉科的两个祖先谱系至少在侏罗纪中期就已经分道扬镳了。这些侏罗纪和白垩纪的蝉化石都属于蝉总科家族，其中一些过去被认为和螽蝉亲缘关系较近的化石，现在被认为与蝉科关系更近，这大大增加了我们对蝉科起源与演化的认识。随着蝉总科内部的亲缘关系的梳理和明确，一个引人入胜的问题浮现出来：这些白垩纪时期的蝉祖先亲戚们，是否也能像今天的蝉科一样，发出独特而响亮的叫声呢？
一亿年前，蝉还不会发出响亮的鸣叫
现代蝉发出鸣声通常与腹部鼓膜结构有关。经过显微CT检测和化石三维重建，古生物学家发现，这些琥珀中属于蝉总科家族成员的化石蝉保存了鼓膜结构，且雌性和雄性化石中均有保存鼓膜结构。现存螽蝉科成员和绝大多数蝉科成员也都具有鼓膜结构。因此，结合形态学和系统发育分析，研究团队推测这些白垩纪蝉类可能无法发出响亮的声音，而是通过基质传递振动信号进行交流。
这一发现不仅揭示了蝉类演化的一个重要阶段，也为理解昆虫宏演化的模式提供了新的线索。正如中国农业大学刘星月团队在《系统生物学》上发表的研究所指出的，昆虫的演化创新与物种多样化之间存在复杂的相互作用。通过显微CT技术，研究人员能够更准确地解析化石结构，揭示古代昆虫的形态特征和行为习性，为理解地球生命演化史提供了新的视角。
这一发现不仅揭示了蝉类演化的一个重要阶段，也为理解昆虫宏演化的模式提供了新的线索。正如中国农业大学刘星月团队在《系统生物学》上发表的研究所指出的，昆虫的演化创新与物种多样化之间存在复杂的相互作用。通过显微CT技术，研究人员能够更准确地解析化石结构，揭示古代昆虫的形态特征和行为习性，为理解地球生命演化史提供了新的视角。
这一成果的取得，再次彰显了中国科学院南京地质古生物研究所在古生物学领域的研究实力。该所近期在《科学》杂志公布的2024年度十大科学突破中，朱茂炎团队的成果入选，显示了中国科学家在古生物学领域的重大贡献。通过不断的技术创新和国际合作，中国科学家正在为揭示地球生命演化的历史做出越来越重要的贡献。