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中生代鳥類與古蟬之間“飛行競賽”的生態(tài)復(fù)原圖。楊定華/繪

飛行是動物界極具創(chuàng)新性的運(yùn)動方式，為飛行動物提供了諸多生存優(yōu)勢。古生物學(xué)家根據(jù)古蟬化石提出了中生代“飛行競賽”假說，但一直缺少嚴(yán)格定量驗(yàn)證。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡稱南京古生物所）與國內(nèi)外科研人員合作，以古蟬為研究對象，建立了古蟬的綜合形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，向公眾生動展示了一場在遠(yuǎn)古天空悄然開展的“飛行競賽”。他們發(fā)現(xiàn)，約1.5億年前的古蟬通過新老類群演替，實(shí)現(xiàn)了飛行能力的顯著提升。相關(guān)研究成果10月26日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

“飛行競賽”假說

迄今，僅有昆蟲、翼龍、鳥類和蝙蝠這4類動物演化出主動飛行能力。

其中，昆蟲是最早掌握飛行能力的動物，并且演化出了多樣性極高的飛行策略和相應(yīng)的生態(tài)適應(yīng)。然而，重建滅絕昆蟲的飛行能力非常困難，因此科學(xué)家對昆蟲飛行能力的演化歷史了解非常有限。

蟬俗稱知了。在距今約2.6億至1億年，古蟬總科是具有代表性的樹棲昆蟲。它們在這一時期非常繁盛，保存了大量的化石，并且與現(xiàn)代蟬類也有密切的親緣關(guān)系，是研究昆蟲飛行能力演化的理想對象。

2010年，南京古生物所研究員張海春和其博士生王博在檢視德國晚侏羅世索倫霍芬古蟬后發(fā)現(xiàn)，在侏羅紀(jì)最晚期，古蟬類群存在一個明顯的演替事件。晚期古蟬類群可能進(jìn)化出更強(qiáng)的飛行能力，其潛在演化驅(qū)動因素為新興空中捕食者的捕食壓力，并據(jù)此提出了“飛行競賽”假說。

目前正在德國耶拿大學(xué)從事博士后研究的許春鵬，研究方向主要是古生物學(xué)大數(shù)據(jù)分析和節(jié)肢動物宏演化。他向《中國科學(xué)報》介紹，在鳥類出現(xiàn)以前，中生代森林的空中只有翼龍和各類昆蟲這兩大類飛行生物，空中生態(tài)系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

但是，突然演化出的全新飛行動物——鳥類，因具有強(qiáng)悍的飛行能力而打破了原有平衡?！傍B類和翼龍之間主要是競爭關(guān)系，而前者與昆蟲之間主要是捕食關(guān)系?！痹S春鵬告訴記者，鳥類的繁盛促進(jìn)了很多昆蟲，例如古蟬飛行能力的提高，因?yàn)橹挥酗w得快、飛得靈活才能避免被捕食。在早期鳥類的輻射過程中，翼龍也發(fā)生了明顯的演化事件。

由鳥類引發(fā)的中生代“飛行競賽”極大影響了翼龍和昆蟲的演化，從而重塑了中生代晚期的空中生態(tài)系統(tǒng)。

有力證據(jù)

不過，此前“飛行競賽”假說雖被廣泛引用，卻缺少嚴(yán)格的定量驗(yàn)證。

為此，由許春鵬和南京古生物所研究員王博、張海春等組成的國際研究團(tuán)隊(duì)，以古蟬為研究對象開展了綜合研究工作。他們揭示了鳥類早期輻射事件對昆蟲演化的影響，并為探究捕食者與被捕食者間的協(xié)同演化提供了一個經(jīng)典例子。

在晚侏羅世到早白堊世之間，早期鳥類經(jīng)歷了顯著的輻射事件，并迅速占據(jù)了森林中的生態(tài)位。早期鳥類多為食蟲性，而體形碩大的古蟬是其理想的食物來源。

該研究發(fā)現(xiàn)，侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)之交的古蟬類群演替事件，在時間上與早期鳥類的大輻射相吻合。因此，早期鳥類的繁盛很可能對古蟬的演化產(chǎn)生了定向選擇壓力，促進(jìn)了古蟬的類群演替，導(dǎo)致了早期古蟬的衰落以及飛行能力更強(qiáng)的晚期古蟬的崛起。

上述研究結(jié)果為鳥類引發(fā)的中生代“飛行競賽”假說提供了有力證據(jù)。

古蟬專屬數(shù)據(jù)庫

在此次發(fā)表的成果中，研究團(tuán)隊(duì)檢視了全球范圍內(nèi)所有代表性古蟬化石，綜合利用最大簡約法和貝葉斯法，重建了古蟬總科的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并識別出并系的早期古蟬和單系的晚期古蟬兩個類群。

在此基礎(chǔ)上，研究人員提取了綜合的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，建立了古蟬的綜合形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而構(gòu)建了古蟬類的首個系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并綜合貝葉斯支端定年分析、譜系形態(tài)空間分析、形態(tài)歧義度分析和幾何形態(tài)度量分析等方法，重建了其宏演化歷史。

此外，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了古蟬的空氣動力學(xué)模型，并據(jù)此定量評估了其飛行性能，闡明了該昆蟲類群的飛行能力演化史?？諝鈩恿W(xué)研究顯示，在該演替事件中古蟬發(fā)生了顯著的形態(tài)學(xué)演化，促使其飛行能力得到顯著提升，包括更快的飛行速度、更高的靈活度以及更高的飛行效率。

論文通訊作者王博表示，這項(xiàng)研究為定量計算滅絕昆蟲的飛行能力提供了新思路和新方法。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr2201

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-10-30?第1版?要聞）