螽斯化石揭示2.4億年前蟈蟈已經(jīng)能發(fā)出多種不同頻率的鳴聲 _螽斯

1.6億年前蟈蟈生態(tài)復(fù)原圖。（楊定華繪制）

2.4億年前蟈蟈的鳴器：音齒（紅框內(nèi)部分）及其局部放大圖（右）。（中科院南古所供圖）

1.6億年前蟈蟈的聽器（紅框內(nèi)部分）及其局部放大圖（右）。（中科院南古所供圖）
據(jù)新華社（采訪人員王玨玢、鄧華寧）：采訪人員從中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所獲悉，中、法、德等國古生物學(xué)者通過建立遠(yuǎn)古蟈蟈化石的形態(tài)數(shù)據(jù)庫，還原重建出這類昆蟲在遠(yuǎn)古時(shí)期的鳴聲特點(diǎn) 。研究發(fā)現(xiàn)，早在2.4億年前，蟈蟈已經(jīng)能發(fā)出多種不同頻率的鳴聲。相關(guān)研究成果12月13日發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》上。
蟈蟈學(xué)名螽斯，是一類鳴聲洪亮的常見昆蟲。此次研究中，科研人員檢視了全球各地館藏的1000多塊化石標(biāo)本，建立起2.4億至1億年前遠(yuǎn)古蟈蟈化石的關(guān)鍵形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，并對這一時(shí)期蟈蟈的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。研究發(fā)現(xiàn) ，早在2.4億年前，蟈蟈的鳴聲頻率已經(jīng)復(fù)雜多樣，在4至16千赫茲均有分布。此時(shí)，一部分蟈蟈已能發(fā)出12至16千赫茲的高頻鳴聲，這也是迄今整個(gè)動(dòng)物界最古老的高頻聲音記錄。
進(jìn)一步的數(shù)據(jù)庫分析表明，2.4億至1億年前，不同種類的蟈蟈發(fā)聲頻率明顯不同，這極大地降低了干擾，提高了聲音交流的效率。綜合蟈蟈鳴器、聽器的形態(tài)特點(diǎn)，研究人員判斷，早在1.6億年前，雄性蟈蟈之間已經(jīng)能靠聲音傳遞如爭奪領(lǐng)地、求偶等復(fù)雜信號。
綜合其他古生物化石證據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)還對遠(yuǎn)古森林中的聲音做了還原。“我們發(fā)現(xiàn)，在2億多年前，森林中的聲音由昆蟲鳴聲占據(jù)主導(dǎo) 。到1.8億至1.6億年前，增添了青蛙、鳥類的聲音。直到大約1億年前，各類鳴聲動(dòng)物種類增多，漸趨復(fù)雜的‘森林交響樂’也越來越接近現(xiàn)代的面貌。”領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的中科院南古所研究員王博說。
相關(guān)：螽斯化石揭示中生代聲學(xué)景觀的演化
據(jù)江蘇廣電融媒體新聞中心（董雯編輯趙川）：聲音交流是動(dòng)物最重要的通訊方式之一，通常被用于求偶、交配、捕食和躲避天敵等行為中，由于聲學(xué)景觀無法直接保存在化石記錄中，我們對早期聲學(xué)景觀面貌以及動(dòng)物聲音交流行為的起源和演化了解非常有限。
近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的科研人員，建立了首個(gè)化石直翅目形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，通過兩億年前的螽斯化石，揭示中生代聲學(xué)景觀的演化，相關(guān)研究成果于今天在線發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》。
在動(dòng)物界，直翅目是多樣性最高的鳴聲動(dòng)物，其中，螽斯即俗稱的蟈蟈，在中生代非常繁盛，是動(dòng)物聲學(xué)演化研究的理想類群。科研人員以中生代螽斯化石為研究對象，分析了該類群聲音器官的形態(tài)特征，并重建了中生代螽斯的鳴聲頻率。
中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士生許春鵬解釋：“蟈蟈主要是靠兩個(gè)前翅相互摩擦來發(fā)出聲音，我們在產(chǎn)于2.4億年之前的蟈蟈化石中，根據(jù)保存下來的發(fā)音結(jié)構(gòu)重建了聲音頻率，這些聲音頻率最高的已經(jīng)超過了16kHz，是高頻的聲音，也是整個(gè)動(dòng)物界高頻聲音最古老的化石記錄。”
科研人員還在侏羅紀(jì)鳴螽化石中發(fā)現(xiàn)了保存精美的聽器，無論是在大小、位置還是在結(jié)構(gòu)上，和一些現(xiàn)生螽斯的聽器幾乎一樣。許春鵬告訴采訪人員：“我們在一些雄性的蟈蟈化石中也找到了這種聽器結(jié)構(gòu)，再結(jié)合它的發(fā)音器官，這兩個(gè)證據(jù)就能夠很好地證明，在距今大約1.6億年之前，這些雄性蟈蟈之間就已經(jīng)能夠具有聲學(xué)交流行為，他們通常會因?yàn)榍笈肌㈩I(lǐng)地等各種原因進(jìn)行爭斗。”
另外，這項(xiàng)研究最為重要的一項(xiàng)結(jié)論，就是為昆蟲和早期哺乳動(dòng)物的聲學(xué)共演化假說提供了證據(jù) 。早期哺乳動(dòng)物大多為夜晚活動(dòng)的小型食蟲類的動(dòng)物，螽斯善于鳴叫，通常是前者最理想的食物來源。
科研人員發(fā)現(xiàn) ，中生代螽斯在早-中侏羅紀(jì)發(fā)生了一次明顯的類群更替，從哈格鳴螽科主導(dǎo)轉(zhuǎn)為鳴螽科主導(dǎo)，時(shí)間上恰好對應(yīng)了早期哺乳動(dòng)物的輻射事件，并伴隨其聽覺能力的提高。許春鵬介紹：“這些早期的哺乳動(dòng)物作為捕食者，很可能對螽斯的演化產(chǎn)生了自然選擇的作用，促進(jìn)了聲學(xué)能力更強(qiáng)的鳴螽科昆蟲的崛起，反過來講，鳴螽早早地演化出了高頻的聲音，也很可能進(jìn)一步促進(jìn)了哺乳動(dòng)物聽覺能力的提高。”
相關(guān)：2億年前蟈蟈嗓門有多高？化石研究得出答案
據(jù)科技日報(bào)（采訪人員張曄）：12月13日，《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線發(fā)表了一項(xiàng)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的成果，科研人員對全球各大博物館1000多塊螽斯化石進(jìn)行研究，重建了其鳴聲頻率的宏演化歷史，發(fā)現(xiàn)在2.4億年前的三疊紀(jì)，螽斯可以發(fā)出高達(dá)12—16kHz的鳴聲,這也是整個(gè)動(dòng)物界最古老的高頻聲音記錄。
直翅目昆蟲是現(xiàn)今多樣性最高的鳴聲生物，包括常見的蟋蟀、螽斯、蝗蟲等。其中螽斯（俗稱蟈蟈、紡織娘）可以利用前翅間的相互摩擦發(fā)出聲音，依靠前足的聽器（鼓膜）接收聲音信號。螽斯在中生代非常繁盛，因此是動(dòng)物聲學(xué)演化研究的一類理想類群。
中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的博士研究生許春鵬在王博研究員和張海春研究員的指導(dǎo)下，從世界各地的博物館檢視了1000多塊直翅目化石標(biāo)本，建立了螽斯化石的關(guān)鍵形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)生物物理模型，對中生代螽斯的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。
研究還發(fā)現(xiàn)，在早中侏羅世，螽斯類群發(fā)生了明顯的類群轉(zhuǎn)換現(xiàn)象：原本占據(jù)主導(dǎo)地位的哈格鳴螽科昆蟲開始衰落，具有“更高的聲學(xué)能力”的鳴螽科昆蟲開始崛起。許春鵬認(rèn)為，這是因?yàn)轼Q螽科昆蟲的鳴聲頻率為雙峰分布，高頻鳴聲有利于躲避捕食者的探查，低頻鳴聲能夠傳播更遠(yuǎn)的距離。
這也表明，在同一時(shí)代的生態(tài)系統(tǒng)中，已經(jīng)出現(xiàn)聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)，它可以極大地降低聲學(xué)交流時(shí)其他聲學(xué)信號的干擾，提高聲學(xué)交流的效率。因此，高效的聲學(xué)交流能力很可能是中生代早期螽斯輻射演化的驅(qū)動(dòng)因素之一。
相關(guān)：螽斯化石揭示中生代聲學(xué)景觀的演化
據(jù)中新網(wǎng)南京12月13日電（采訪人員楊顏慈）：采訪人員13日從中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所獲悉，該所研究人員揭示了中生代螽斯聲學(xué)行為的演化，為昆蟲和早期哺乳動(dòng)物的聲學(xué)共演化假說提供了證據(jù)，也為動(dòng)物的聲學(xué)演化機(jī)制和中生代的聲學(xué)景觀提供了新信息。
聲音交流是動(dòng)物之間最重要的通訊方式之一，對動(dòng)物的生存具有非常重要的意義。聲音交流通常被用于求偶、交配、捕食和躲避天敵等行為中，這也構(gòu)成了現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)中紛繁復(fù)雜的聲學(xué)景觀的一部分。
專家介紹，直翅目昆蟲是現(xiàn)今多樣性最高的鳴聲生物，包括常見的蟋蟀、螽斯、蝗蟲等。其中，螽斯(俗稱蟈蟈、紡織娘)可以利用前翅間的相互摩擦發(fā)出聲音，依靠前足的聽器接收聲音信號。螽斯在中生代非常繁盛，是聲學(xué)演化研究的理想類群。
中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士生許春鵬在該所研究員王博和張海春指導(dǎo)下，研究了全球各地館藏的直翅目化石標(biāo)本，年代跨度約從2.4億年前到1億年前，涉及的螽斯化石物種有190種，在此基礎(chǔ)上建立了螽斯化石的關(guān)鍵形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，并對中生代螽斯的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。
該項(xiàng)研究由中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所、臨沂大學(xué)、法國國家自然歷史博物館、德國黑森州立博物館、俄羅斯科學(xué)院古生物研究所、英國自然歷史博物館和美國自然歷史博物館的研究團(tuán)隊(duì)共同完成。
該研究總結(jié)和梳理了動(dòng)物重要的聲學(xué)演化事件并發(fā)現(xiàn)，中生代聲學(xué)景觀與現(xiàn)代完全不同：在三疊紀(jì) ，由昆蟲尤其是螽斯的鳴聲占據(jù)主導(dǎo)；早侏羅世青蛙和晚侏羅世鳥類的出現(xiàn)帶來了新的聲音；直到白堊紀(jì)，森林中的聲學(xué)景觀才接近現(xiàn)代面貌——熱帶地區(qū)由昆蟲和青蛙的叫聲占據(jù)主導(dǎo)，而在溫帶地區(qū)鳥類的叫聲更為豐富。
相關(guān)研究成果于2022年12月13日在線發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》(PNAS)上。
相關(guān)：2億年前昆蟲化石， “重塑”蟈蟈叫聲
據(jù)南京日報(bào)（采訪人員馬金通訊員盛捷）：近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的古生物學(xué)家建立了首個(gè)化石直翅目形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，以中生代螽斯化石為研究對象，分析了該類群聲音器官的形態(tài)特征，并重建了其鳴聲頻率的宏演化歷史。相關(guān)研究成果于2022年12月13日在線發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。
螽斯俗稱蟈蟈。包括蟈蟈在內(nèi)的直翅目昆蟲，是現(xiàn)今多樣性最高的鳴聲生物。該研究由中科院南京地質(zhì)古生物研究所的博士研究生許春鵬在王博研究員和張海春研究員的指導(dǎo)下完成， “重塑”了蟈蟈的叫聲，讓人們得以聆聽2億年前的“交響樂” 。
“此次研究主要取得了五項(xiàng)成果。”許春鵬介紹，研究團(tuán)隊(duì)重建了中生代螽斯的鳴聲頻率，發(fā)現(xiàn)了最古老的昆蟲聽器和復(fù)雜聲學(xué)行為，研究了中生代螽斯的類群轉(zhuǎn)換和聲學(xué)演化，為螽斯和早期哺乳動(dòng)物的聲學(xué)共演化假說提供了證據(jù)，也為中生代的聲學(xué)景觀提供了新認(rèn)識。
采訪人員了解到，研究團(tuán)隊(duì)對南非和哈薩克斯坦標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)，早在三疊紀(jì)中期螽斯就已經(jīng)可以發(fā)出高頻的鳴聲，這也是整個(gè)動(dòng)物界最古老的高頻聲音記錄。而高效的聲音交流能力很可能是中生代早期螽斯輻射演化的驅(qū)動(dòng)因素之一。“我們還在侏羅紀(jì)鳴螽化石中發(fā)現(xiàn)了保存精美的聽器。”許春鵬說，研究表明，早在侏羅紀(jì)雄性螽斯間的復(fù)雜聲學(xué)行為，即爭斗和領(lǐng)地行為已經(jīng)出現(xiàn) 。
本研究總結(jié)和梳理了動(dòng)物重要聲學(xué)演化事件，發(fā)現(xiàn)中生代聲學(xué)景觀與現(xiàn)代完全不同：在三疊紀(jì)由昆蟲尤其是螽斯的鳴聲占據(jù)主導(dǎo)；早侏羅世青蛙和晚侏羅世鳥類的出現(xiàn)帶來了新的聲音；直到白堊紀(jì)，森林中的聲學(xué)景觀才接近現(xiàn)代面貌。
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據(jù)光明日報(bào)南京12月24日電（采訪人員蘇雁通訊員姬尊雨）：聲音交流是動(dòng)物最重要的通訊方式之一，通常被用于求偶、捕食等行為中，對動(dòng)物的生存具有非常重要的意義。在地史時(shí)期，動(dòng)物的聲學(xué)交流行為是如何起源和演化的？遠(yuǎn)古世界的聲學(xué)景觀面貌又是如何？由于聲音無法直接保存在化石記錄中，長期以來，科學(xué)界對此的了解非常有限。
近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的博士研究生許春鵬在研究員王博和研究員張海春的指導(dǎo)下，建立了首個(gè)化石直翅目形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，以中生代的螽斯化石為研究對象，分析了該類群關(guān)鍵的聲學(xué)形態(tài)特征，并重建了其鳴聲頻率的宏演化歷史。研究結(jié)果揭示了中生代螽斯的聲學(xué)行為的演化，為昆蟲和早期哺乳動(dòng)物的聲學(xué)共演化假說提供了證據(jù)，也為動(dòng)物的聲學(xué)演化機(jī)制和中生代的聲學(xué)景觀提供了新信息。近日該研究成果在線發(fā)表于國際期刊《美國科學(xué)院院報(bào)》。
在動(dòng)物界，直翅目昆蟲是現(xiàn)今多樣性最高的鳴聲生物，包括我們常見的蟋蟀、螽斯、蝗蟲等。在直翅目昆蟲已知的大約三萬個(gè)物種中，至少有16000種以聲學(xué)交流作為其主要的通訊方式。其中螽斯（俗稱“蟈蟈”）可以利用前翅間的相互摩擦發(fā)出聲音，依靠前足的聽器（鼓膜）接收聲音信號。螽斯在中生代非常繁盛，是動(dòng)物聲學(xué)演化研究的理想類群。
在檢視法國自然歷史博物館、德國黑森州立博物館等地館藏的直翅目化石標(biāo)本后，研究團(tuán)隊(duì)建立了螽斯化石的首個(gè)形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)生物物理模型，對中生代螽斯的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。對南非和哈薩克斯坦標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)，早在三疊紀(jì)中期螽斯就已經(jīng)可以發(fā)出高頻的鳴聲（12~16kHz）,這也是整個(gè)動(dòng)物界最古老的高頻聲音記錄。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)庫分析表明，中生代螽斯已經(jīng)演化出極高的聲音頻率多樣性，并已經(jīng)具有明顯的聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)現(xiàn)象。聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)的出現(xiàn)，可以極大地降低聲音交流時(shí)其他聲學(xué)信號的干擾，提高聲音交流的效率。高效的聲音交流能力很可能是中生代早期螽斯輻射演化的驅(qū)動(dòng)因素之一。
研究發(fā)現(xiàn)了迄今最古老的昆蟲聽器和復(fù)雜聲學(xué)行為。在侏羅紀(jì)鳴螽化石中發(fā)現(xiàn)了保存精美的聽器。無論是在大小、位置還是在結(jié)構(gòu)上，它們和一些現(xiàn)生螽斯的聽器幾乎一樣。它們分別位于一對前足的內(nèi)側(cè)（后側(cè)）和外側(cè)（前側(cè)），由內(nèi)部橢圓形的硬質(zhì)鼓膜板和包圍在其外側(cè)新月形的軟質(zhì)鼓膜組成。這種結(jié)構(gòu)表明其可能以硬質(zhì)的鼓膜板為支點(diǎn)，形成杠桿結(jié)構(gòu)以大大提高聲波的傳導(dǎo)效率。綜合鳴器和聽器的證據(jù)表明，早在侏羅紀(jì)雄性螽斯間的復(fù)雜聲學(xué)行為，例如爭斗和領(lǐng)地行為等很可能已經(jīng)出現(xiàn) 。
研究揭示了中生代螽斯的類群轉(zhuǎn)換和聲學(xué)演化。在早—中侏羅世，螽斯類群發(fā)生了明顯的類群轉(zhuǎn)換現(xiàn)象：原本占據(jù)主導(dǎo)地位的哈格鳴螽科昆蟲開始衰落，鳴螽科昆蟲開始崛起。中生代哈格鳴螽科昆蟲的鳴聲頻率在4~16kHz近乎均勻分布，鳴螽科昆蟲的鳴聲頻率在4~8kHz和12~16kHz兩個(gè)范圍內(nèi)雙峰分布。高頻鳴聲有利于躲避捕食者的探查，但傳播距離較近；低頻鳴聲易被捕食者探查，卻能夠傳播更遠(yuǎn)的距離。鳴螽科昆蟲叫聲頻率的雙峰分布表明，每個(gè)種類在“傳播距離”和“躲避探查”之間根據(jù)自身需求和特點(diǎn)更好地權(quán)衡，避免了既容易被探查又傳播不遠(yuǎn)的情況。此外，螽斯前翅聲音輻射區(qū)域的變化也說明了從中—晚三疊世到中侏羅世，其發(fā)聲能力有了明顯增強(qiáng) 。
值得注意的是，研究成果為螽斯和早期哺乳動(dòng)物的聲學(xué)共演化假說提供了證據(jù) 。與其他脊椎動(dòng)物相比，現(xiàn)生哺乳動(dòng)物具有更高頻的聽力范圍和更靈敏的聽覺能力。在爬行動(dòng)物占據(jù)主體生態(tài)位的中生代，原始哺乳動(dòng)物很可能利用聲音進(jìn)行定位獵物和偵查捕食者。善于鳴叫、體型碩大的螽斯可能為早期哺乳動(dòng)物提供了理想的食物來源。并且，該研究發(fā)現(xiàn)的中生代螽斯的類群轉(zhuǎn)換在時(shí)間上恰好對應(yīng)了早期哺乳動(dòng)物的輻射事件。因此，早期哺乳動(dòng)物很可能對螽斯的演化產(chǎn)生了定向選擇作用；反之，螽斯高頻聲音的出現(xiàn)可能也促進(jìn)了早期哺乳動(dòng)物聽覺能力的提高。
基于以上成果，該研究為中生代的聲學(xué)景觀提供了新認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)中生代聲學(xué)景觀與現(xiàn)代完全不同：在三疊紀(jì)由昆蟲尤其是螽斯的鳴聲占據(jù)主導(dǎo)；早侏羅世青蛙和晚侏羅世鳥類的出現(xiàn)帶來了新的聲音；直到白堊紀(jì)，森林中的聲學(xué)景觀才接近現(xiàn)代面貌。隨著各類鳴聲動(dòng)物類群的輻射演化，中生代陸地生態(tài)系統(tǒng)的聲學(xué)景觀面貌逐漸復(fù)雜化。“研究成果不僅強(qiáng)調(diào)了昆蟲間交流的生態(tài)學(xué)意義，初步揭示了中生代的聲學(xué)景觀，并且也有助于我們理解聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)及高頻的聲學(xué)交流是如何影響動(dòng)物進(jìn)化的。”許春鵬說。
《光明日報(bào)》（ 2022年12月25日 04版）