左图螽蝉,属于螽蝉科。(图片来源:https://www.inaturalist.org) 右图Greengrocer蝉,属于蝉科。(图片来源:Australian Museum)。
螽蝉科的显著特点是拥有一个巨大的前胸背板,前胸背板遮盖了绝大部分中胸背板,只露出末端三角状小盾片。而蝉科成员大多展示出明显的中胸背板,其末端形成了特有的十字隆起结构。
为了探究琥珀中的这些化石蝉与现代蝉科及螽蝉科之间的关系,中国科学院南京地质古生物研究所的古生物学家们采用了显微CT技术来对标本进行解析。这一技术使研究人员能够无损地对白垩纪时期以及现代蝉的成虫和幼虫身体结构进行详细检查。
南京地质古生物研究所显微CT实验室。
(图片来源:吴素萍摄)
实验过程是这样的:首先研究人员将标本放置于显微CT仪器内,调试好参数后,样品便开始进行360°的旋转扫描,以获得一系列X光片。接着,利用三维视图软件对这些X光片进行重构,最终生成了蝉的3D图像,从而收集了标本一系列丰富的形态特征数据。
琥珀中成虫蝉化石和现生类群显微CT数据三维重建。
(图片来源:Jiang et al., 2024)
此外,通过翻阅化石家谱记录,研究人员还获得了1.65亿年前侏罗纪时期蝉亲戚们的形态特征,并将这些数据一同纳入系统发育和形态差异分析,以了解化石蝉与现代蝉科及螽蝉科之间的关系。
1.65亿年前侏罗纪时期蝉总科化石。
(图片来源:南京地质古生物研究所)
分析结果表明包含现代蝉科和螽蝉科的两个祖先谱系至少在侏罗纪中期就已经分道扬镳了。这些侏罗纪和白垩纪的蝉化石都属于蝉总科家族,其中一些过去被认为和螽蝉亲缘关系较近的化石,现在被认为与蝉科关系更近,这大大增加了我们对蝉科起源与演化的认识。随着蝉总科内部的亲缘关系的梳理和明确,一个引人入胜的问题浮现出来:这些白垩纪时期的蝉祖先亲戚们,是否也能像今天的蝉科一样,发出独特而响亮的叫声呢?
一亿年前,蝉还不会发出响亮的鸣叫现代蝉发出鸣声通常与腹部鼓膜结构有关。经过显微CT检测和化石三维重建,古生物学家发现,这些琥珀中属于蝉总科家族成员的化石蝉保存了鼓膜结构,且雌性和雄性化石中均有保存鼓膜结构。现存螽蝉科成员和绝大多数蝉科成员也都具有鼓膜结构。因此,结合现代研究结果,这些琥珀中的化石证据证明了具有鼓膜结构是蝉总科家族的一个早期原始特征,并被代代遗传了下来。那么,这些化石蝉保存有鼓膜结构能否表明它们也具有发出响亮鸣声的能力呢?
现存蝉科中的鸣蝉主要是雄性来发出高亢的声音。雄蝉利用腹部发达的鼓膜肌肉运动通过表皮内突来牵引鼓膜,致使膜上面的肋来回弯曲产生声音。它们的腹部具有共振腔,共振腔像一个天然的音响,进一步放大这些声音,在空气中传播以实现交流。当然鸣蝉还发育了听觉系统,包括听膜、听膜脊和听囊等结构,来配合接收声音。