在遥远的中生代，天空中上演了一场激烈的“飞行竞赛”。这场竞赛的参与者包括了翼龙、鸟类，还有一类我们可能不太熟悉的巨大昆虫——古蝉类。这些古蝉，翅展可达近15厘米，是当时空中生态系统的重要组成部分。
最近，中国科学院南京地质古生物研究所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所等合作，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。相关研究成果10月26日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。
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飞行的起源与演化
在中生代，飞行不仅仅是一种生存方式，更是动物界的一项伟大创新，为飞行动物提供了巨大的生存优势。在已知的动物中，只有昆虫、翼龙、鸟类和蝙蝠演化出了主动飞行的能力。
昆虫是最早的飞行者，它们的飞行策略和生态适应性极高。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，科学家们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，它们的生存时限从晚二叠世一直延续到晚白垩世。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。
▲中生代鸟类与古蝉之间“飞行竞赛”的生态复原图：复原了中生代鸟类与古蝉之间的“飞行竞赛”，展现了当时空中生态系统的复杂性与竞争关系。
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飞行能力的飞跃
科学家们通过检视全球的古蝉化石，建立了综合形态特征数据库，首次构建了古蝉类的系统发育关系，并利用形态空间等数学方法定量分析它们的演化模式和规律。
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。研究发现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。
▲早期古蝉与晚期古蝉的对比图：展示了古蝉从早期到晚期的形态变化，从近似椭圆形的翅膀到近似三角形的翅膀，反映了古蝉在飞行能力上的演化。
▲古蝉前翅翅脉结构的形态空间分析图：通过分析古蝉前翅翅脉结构的形态空间，揭示了古蝉在形态上的演化趋势。
这些形态变化不仅仅是外观上的改变，它们直接影响了古蝉的飞行能力。为了能定量评估古蝉飞行性能，古生物学家与空气动力学专家一起构建了古蝉的空气动力学模型。
通过测量古蝉的前翅翅长、弦长、面积等形态学数据，研究人员计算出了翅载荷、翅展弦比和飞行肌肉占比等参数。结果表明，晚期古蝉的翅载荷提高了92%，飞行肌肉占比提高了19%，前翅展弦比提高了15%。这些数据表明，晚期古蝉具有更快的飞行速度和更高的飞行效率。
这些发现不仅让我们对古蝉的飞行能力有了更深入的了解，也为中生代的“飞行竞赛”假说提供了有力的证据。
▲古蝉前翅翅形的形态空间分析与飞行能力计算图：展示了古蝉翅形的演化以及飞行能力的定量评估，说明了古蝉飞行能力的显著提升。
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鸟类的崛起与古蝉的演化
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，迅速占据了森林中的生态位。这些早期鸟类多为食虫性，体型硕大的古蝉成为了它们的理想食物。
因此，古蝉的演化很可能受到了早期鸟类繁盛的定向选择压力，促进了古蝉的类群演替。这一发现，不仅为我们揭示了鸟类早期辐射事件对昆虫演化的影响，也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。
古蝉的“飞行竞赛”不仅是一场生存的较量，也是一场进化的奇迹，更影响了古蝉的演化，也重塑了当时的空中生态系统。古蝉让我们对生命演化的复杂性和多样性有了更深的认识。也让我们对地球生命的历史有了更加丰富的理解。
▲古蝉的系统发育关系图：揭示了古蝉类群的演化历程，从并系的早期古蝉到单系的晚期古蝉，展现了古蝉在中生代的繁盛与演化。
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结语
古蝉的演化告诉我们，生物的形态和能力总是在不断适应环境的变化。古蝉通过形态和飞行能力的演化，成功适应了环境变化，成为了中生代空中的佼佼者。
这场中生代的“飞行竞赛”虽然已经结束，但它留给我们的，是对生命演化无尽的好奇和探索。
来源：中国科学院南京地质古生物研究所
责任编辑：曹旸 王颖