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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(duì)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(duì)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(duì)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)》。

【資料圖】

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(hào)。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(duì)中生代螽斯的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)。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。

來源：光明日?qǐng)?bào)

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作者：

責(zé)任編輯：馮崢

標(biāo)簽： 哺乳動(dòng)物 研究成果