点击上方蓝色字，关注我们![]()
![]()
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，极大地扩展了它们的生存空间和生态位。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，重建灭绝昆虫的飞行能力非常困难，因此人们对昆虫飞行能力的演化历史了解非常有限。古蝉总科（半翅目）是中生代的代表性树栖昆虫，翅展最长可达15厘米，生存时限从晚二叠世到晚白垩世。古蝉和现生蝉类的亲缘关系较近，具有相似的形态特征和飞行机制。它们在中生代非常繁盛，保存了大量的化石记录，因此是探究昆虫飞行能力演化的理想类群。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究团队，与临沂大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所等合作，检视了全球的古蝉化石并开展了综合的大数据分析工作。在建立综合形态特征数据库的基础上，首次构建了古蝉类的系统发育关系，并综合贝叶斯支端定年分析、谱系形态空间分析、形态歧义度分析、几何形态度量分析和等方法，重建了其宏演化历史。此外，还构建了古蝉的空气动力学模型并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。研究团队检视了全球范围内所有代表性的古蝉化石，综合利用最大简约法和贝叶斯法重建了古蝉总科的系统发育关系。研究结果揭示了侏罗纪—白垩纪之交的古蝉类群演替事件：早期古蝉开始衰落，同时晚期古蝉开始崛起。综合形态空间分析揭示古蝉在这次类群演替中发生了明显的表型演化本研究提取了古蝉化石的综合形态学数据，建立了形态特征数据库。形态空间分析结果表明，古蝉从早期到晚期的演替过程中发生了明显的形态空间迁移，并伴随形态歧义度的显著下降。翅形也有明显的变化：由早期古蝉的近似椭圆形向晚期古蝉的近似三角形演变。![]()
图2：古蝉总科前翅翅脉结构的形态空间分析结果（A–B）、物种多样性统计（C）和形态歧义度计算（D）
本研究首次构建了古蝉的空气动力学模型以计算其飞行能力的演化。在形态度量工作的基础上计算了翅载荷、翅展弦比和飞行肌肉占比，定量评估了该类群的飞行能力。结果表明，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%，进一步证明其具有更快的飞行速度和更高的飞行效率。在晚侏罗世到早白垩世之间，早期鸟类经历了显著的辐射事件。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。本研究发现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。
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）产生严重的影响，引发了一场中生代的“飞行竞赛”，重塑了中生代晚期的空中生态系统。图3：中生代鸟类与古蝉之间“飞行竞赛”的生态复原图（杨定华绘制）
本研究揭示了鸟类早期辐射事件对昆虫演化的影响，为中生代的“飞行竞赛”假说提供有力证据，并为探究捕食者与被捕食者间的协同演化提供了一个经典例子。此外，空气动力学模型的构建为定量计算灭绝昆虫的飞行能力提供了新思路和新方法。
![]()
第一作者：许春鹏，德国洪堡学者博士后（耶拿大学）。2023年毕业于中国科学院南京地质古生物研究所，获理学博士学位。主要从事古生物学大数据分析和节肢动物宏演化研究。先后获得必和必拓（BHP-Billtion）奖学金、中国科学院院长特别奖、中国古生物学年度十大进展、北京市优秀毕业生、中国科学院优秀博士学位论文等奖励。迄今以第一/通讯作者在Science
Advances、PNAS、Gondwana
Research、Philosophical
Transactions of the Royal Society B等SCI期刊发表论文20余篇。
![]()
第一作者：陈军，临沂大学教授，硕士生导师，中国古生物学会古无脊椎动物学分会理事。2007年毕业于中国海洋大学海洋生命学院，获学士学位；2012年毕业于中国海洋大学水产学院，获博士学位；2014年至2019年，于中国科学院南京地质古生物研究所从事博士后研究工作。目前主要从事古昆虫学研究工作，研究领域为中生代昆虫分类学、生物系统学、生态学及行为学等，特别关注于白垩纪中晚期陆地生态革命中昆虫关键类群古老支系的灭绝和现代支系的起源、分化、辐射过程及其驱动机制。先后主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金优秀青年基金等科研项目近十项，目前在Nature、Science
Advances、eLife等国内外期刊发表学术论文80余篇。
![]()
通讯作者：王博，研究员，中国科学院南京地质古生物研究所副所长，古生物学与油气地层应用重点实验室主任。研究方向是深时陆地生态系统的重大革新及其资源环境效应，近期重点开展中生代含油气地层的综合地层、生物群和古环境研究。先后获得洪堡学者、青促会首批优秀会员、国家杰青、中国科学院青年科学家奖。现担任中国古生物学会常务理事、中国古生物学会古无脊椎动物学分会理事长。以通讯作者（含第一作者）发表SCI论文88篇，包括Science/Nature/Cell子刊（16篇）、PNAS（3篇）、Geology（4篇）、eLife（4篇）。研究成果4次入选“中国古生物学年度十大进展”；推荐的“现代陆地生态系统是如何起源的”入选中国科协2023十大前沿科学问题。
本文由论文作者团队受邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。
