10月26日，记者从中国科学院南京地质古生物研究所获悉，该所科研人员与国内外学者合作以古蝉为对象开展研究，通过形态空间和空气动力学分析，为我们揭开了古蝉飞行能力的演化之谜，为中生代的“飞行竞赛”假说提供了有力证据。相关研究成果于10月26日在线发表于《科学进展》（Science Advances）上。
飞行是动物界极具创新性的运动方式，为飞行动物提供了诸多生存优势。迄今，仅有昆虫、翼龙、鸟类和蝙蝠这四类动物演化出主动飞行能力。其中，昆虫是最早掌握飞行能力的动物，并且演化出了多样性极高的飞行策略和相应的生态适应。然而，由于重建灭绝昆虫的飞行能力非常困难，我们对昆虫飞行能力的演化历史了解有限。
直到最近，中国科学院南京地质古生物研究所科学家联合国内外专家通过对古蝉开展形态空间和空气动力学分析，为我们提供了新的视角。
古蝉类是中生代的代表性树栖昆虫，生存时限从晚二叠世一直延续到晚白垩世（距今约2.6亿年至1亿年）。它们与现生蝉类有着密切的亲缘关系，形态特征和飞行机制相似。在中生代，古蝉非常繁盛，留下了大量的化石记录，因此是探究昆虫飞行能力演化的理想类群。
“我们通过检视全球的古蝉化石，建立了古蝉的综合形态特征数据库，首次构建了古蝉类的系统发育关系，并通过形态空间和空气动力学分析，定量评估了其飞行性能，阐明了该昆虫类群的飞行能力演化史。”中国科学院南京地质古生物研究所研究员王博介绍。
研究结果表明，古蝉在从中生代早期到晚期的演化过程中，发生了显著的形态变化。早期古蝉的翅膀近似椭圆形，而后翅相对较大；而晚期古蝉的翅膀则近似三角形，后翅较小，中胸较大。关于翅脉的形态空间分析也进一步表明，早期古蝉和晚期古蝉的翅脉结构也有较大的差异。
这些变化直接影响了古蝉的飞行能力。相比早期古蝉，晚期古蝉的翅载荷提高了92%，其飞行速度有39%的提升；飞行肌肉占比提高了19%，显示其飞行灵活度和飞行速度的提高；前翅展弦比提高了15%，进一步证明晚期古蝉具有更快的飞行速度和更高的飞行效率。
此前，古生物学家曾根据古蝉化石提出了中生代“飞行竞赛”假说，但一直缺少严格定量验证。本次研究结果为这个假说提供了有力证据。
“早期的鸟类多为食虫性，而体型硕大的古蝉是其理想的食物来源。”中国科学院南京地质古生物研究所研究员张海春介绍，研究发现，侏罗纪—白垩纪之交的古蝉类群演替事件，在时间上与早期鸟类的大辐射相吻合。因此，早期鸟类的繁盛很可能对古蝉的演化产生了定向选择压力，促进了古蝉的类群演替，导致了早期古蝉的衰落以及飞行能力更强的晚期古蝉的崛起。
中国科学院南京地质古生物研究所博士许春鹏表示，以此研究推测，鸟类这一新兴飞行动物的起源和辐射，很可能对已有的飞行生物（昆虫和翼龙）产生严重影响。在早期鸟类的辐射过程中，翼龙也发生了明显的演化事件：由体形较小、食虫为主的基干类群，逐渐演替为体形较大、食性多样化的翼手龙类。作为潜在的竞争者，鸟类的繁盛可能促进了翼龙的类群演替。中生代的“飞行竞赛”极大影响了翼龙和昆虫的演化，从而重塑了中生代晚期的空中生态系统。
该研究由中国科学院南京地质古生物研究所、临沂大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、德国耶拿大学、荷兰瓦赫宁根大学、美国自然历史博物馆以及英国自然历史博物馆的研究团队共同完成。
研究得到国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委和德国洪堡学者基金会的资助。南京古生物所画师杨定华为该成果绘制复原图。
南京日报/紫金山新闻记者 张安琪
附件下载：