三疊紀(jì)螽斯的音齒（上）和侏羅紀(jì)螽斯的聽(tīng)器（下）

動(dòng)物聲學(xué)演化事件
（神秘的地球uux.cn）據(jù)《環(huán)球》雜志（記者 王玨玢 編輯 樂(lè)艷娜）：真實(shí)的遠(yuǎn)古世界絕不是一場(chǎng)“默片”。綜合其他古生物化石證據(jù)，團(tuán)隊(duì)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)遠(yuǎn)古森林中的對(duì)遠(yuǎn)的聲聲音做了還原。
在現(xiàn)代森林中，古森人們可以聽(tīng)到紛繁復(fù)雜的林中聲音：鳥(niǎo)兒婉轉(zhuǎn)的啼叫、昆蟲(chóng)嗡嗡的還原飛鳴、猛獸高亢的研究音嘶吼……
這些動(dòng)物發(fā)出的聲音，不僅是團(tuán)隊(duì)生機(jī)勃勃陸的“生態(tài)劇”里不容忽視的“背景音”，在漫長(zhǎng)的對(duì)遠(yuǎn)的聲進(jìn)化史中，各種各樣的古森聲音交流也已經(jīng)發(fā)展成為動(dòng)物界交流通訊最重要的方式之一。求偶、林中交配、還原捕食、研究音躲避天敵，團(tuán)隊(duì)一系列與生存繁衍息息相關(guān)的對(duì)遠(yuǎn)的聲重要行為，都伴隨著聲音所傳遞的信息。但是由于研究資料的有限，我們對(duì)遠(yuǎn)古聲音的世界至今知之甚少。
動(dòng)物的聲音交流是如何起源演化的？遠(yuǎn)古世界有什么樣的“背景音”？知名科學(xué)期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》近日刊發(fā)中、法、德等多國(guó)古生物學(xué)者對(duì)遠(yuǎn)古昆蟲(chóng)鳴聲的復(fù)原，帶我們一探神秘的遠(yuǎn)古聲音世界。
1000多塊化石中藏著的昆蟲(chóng)歌聲
在46億年的地球演化史中，我們所了解的絕大部分信息，只能還原出一個(gè)沉默的世界。現(xiàn)在，科學(xué)家根據(jù)化石的形態(tài)，讓我們得見(jiàn)5億年前奇蝦、2億年前恐龍和1萬(wàn)年前猛犸象的真容。一些昆蟲(chóng)鱗片和鳥(niǎo)類(lèi)羽毛的化石，藏著結(jié)構(gòu)顏色的密碼，給古生物增加了絢麗的著色。但在沒(méi)有磁帶、錄音機(jī)的遠(yuǎn)古世界，聲音這種隨時(shí)消散的信息難以保存。想象一下，恐龍時(shí)代即便有清亮的鳴叫、低啞的嘶吼，也不能為人所知，這實(shí)在是一大遺憾。
在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》刊登的這一研究論文中，科研人員通過(guò)對(duì)全球各地1000多塊館藏化石標(biāo)本的檢視，成功還原出中生代“歌唱高手”螽斯的鳴聲特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，早在2.4億年前，螽斯的鳴聲頻率就已經(jīng)復(fù)雜多樣，在4至16千赫茲均有分布。此時(shí)，一部分螽斯已能發(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。
螽斯俗名蟈蟈，又稱(chēng)紡織娘，是一類(lèi)古今都很常見(jiàn)的直翅目昆蟲(chóng)。在動(dòng)物界，直翅目是多樣性最高的鳴聲動(dòng)物，包括我們常見(jiàn)的蟋蟀、螽斯、蝗蟲(chóng)，等等。在直翅目昆蟲(chóng)已知的3萬(wàn)個(gè)物種中，大部分都具有聲學(xué)交流行為，其中至少有16000種以聲學(xué)交流作為最主要的通訊方式。
選取螽斯作為突破點(diǎn)，既是看中了它“歌唱健將”的特長(zhǎng)，又考慮到它有古今皆盛的優(yōu)勢(shì)。“研究小蟈蟈，不論是分析現(xiàn)代生物的形態(tài)特點(diǎn)還是搜尋遠(yuǎn)古化石都相對(duì)便捷，這才能復(fù)原出遠(yuǎn)古聲學(xué)景觀的大奧秘。”領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王博說(shuō)。
研究論文第一作者、中科院南古所博士生許春鵬介紹，在檢視了各地館藏的1000多個(gè)化石標(biāo)本后，最終選取了哈格鳴螽科和鳴螽科兩大類(lèi)螽斯納入研究。其中哈格鳴螽86種、鳴螽104種。研究年代跨度為大約2.4億至1億年前，橫亙?nèi)B紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)。“重建出的中生代螽斯鳴聲和演化歷史，幾乎伴隨了整個(gè)恐龍時(shí)代，是恐龍時(shí)代森林中不容忽視的‘交響樂(lè)’。”
如何重現(xiàn)遠(yuǎn)古聲音
無(wú)質(zhì)無(wú)形的聲音是怎么通過(guò)化石記錄的？科研團(tuán)隊(duì)介紹，研究過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為提取化石特征、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、還原鳴聲頻率、重建演化歷史四個(gè)階段。
現(xiàn)代螽斯的發(fā)音器官位于前翅的臀區(qū)，其中一根翅脈上分布有小齒結(jié)構(gòu)，用以摩擦發(fā)音，又稱(chēng)為音齒。它們臀區(qū)的其他翅脈也特化，相互連接形成幾個(gè)區(qū)域，就像鼓膜一樣可以將摩擦產(chǎn)生的聲音進(jìn)一步輻射擴(kuò)大，我們這才能聽(tīng)到蟈蟈響亮的“鳴叫”。此外，螽斯前足脛節(jié)的內(nèi)外側(cè)還有收音器官，為具有彈性的鼓膜，兩邊各有一只，又被稱(chēng)為聽(tīng)器。簡(jiǎn)單地概括，現(xiàn)代螽斯利用前翅間的相互摩擦發(fā)出聲音，再依靠前足的聽(tīng)器接收聲音信號(hào)。
在聲學(xué)特征上，螽斯祖先和現(xiàn)代類(lèi)群頗多相似。化石形態(tài)研究顯示，和一些現(xiàn)生類(lèi)群一樣，螽斯化石的一對(duì)前翅是對(duì)稱(chēng)的，并且音齒中小齒呈從基部向端部間距減小的不均勻分布，這是決定發(fā)聲機(jī)制的一個(gè)關(guān)鍵特征。同時(shí)，在1.6億年前中晚侏羅世道虎溝的鳴螽化石中，發(fā)現(xiàn)了保存精美的聽(tīng)器。無(wú)論是在大小、位置還是在結(jié)構(gòu)上，它們和一些現(xiàn)生螽斯昆蟲(chóng)（例如鳴螽、沙螽）的聽(tīng)器幾乎一模一樣。這些聽(tīng)器由內(nèi)部橢圓形的硬質(zhì)鼓膜板和包圍在外側(cè)新月形的軟質(zhì)鼓膜組成，具有接收聲音的功能，說(shuō)明遠(yuǎn)古螽斯可以通過(guò)聲音傳遞信息。
“找尋遠(yuǎn)古螽斯化石中的聲學(xué)形態(tài)特征，并發(fā)現(xiàn)它們和現(xiàn)生類(lèi)群的相應(yīng)器官相似，這是研究中重要的第一步，也是后續(xù)能還原出它們鳴聲特點(diǎn)的前提。”王博介紹，昆蟲(chóng)的形態(tài)特征直接決定著發(fā)聲機(jī)制。通過(guò)分析螽斯化石的發(fā)聲結(jié)構(gòu)和現(xiàn)生的哪幾類(lèi)螽斯存在異同，可以幫助科研人員確定能不能以及用哪幾種螽斯“模板”來(lái)作為模型還原遠(yuǎn)古螽斯的鳴聲。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，進(jìn)行還原的具體重建曲線，也得有現(xiàn)生螽斯的一系列發(fā)聲機(jī)制計(jì)算得出。
有了這些可行性依據(jù)，科研團(tuán)隊(duì)著手提取螽斯化石的音齒長(zhǎng)度、小齒排列等關(guān)鍵聲學(xué)形態(tài)特征，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并從物理學(xué)的角度模擬計(jì)算，系統(tǒng)還原中生代螽斯的鳴聲頻率。
生物物理模型的擬合計(jì)算結(jié)果，揭示出遠(yuǎn)古螽斯有趣的發(fā)聲特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，雖然中生代螽斯的鳴聲頻率普遍分布在4至16千赫茲之間，但不同類(lèi)群之間的鳴聲特點(diǎn)顯著不同。哈格鳴螽科昆蟲(chóng)的鳴聲在4至16千赫茲之間近乎均勻分布，堪稱(chēng)音域?qū)拸V的典范。鳴螽科昆蟲(chóng)的鳴聲則顯示為“雙峰”分布：它們的鳴聲主要位于4至8千赫茲和12至16千赫茲兩個(gè)頻段范圍，是高低音“雙料能手”。
探尋聲音的進(jìn)化
科研人員在重建中生代螽斯鳴聲演化歷史時(shí)發(fā)現(xiàn)，和它們的現(xiàn)代子孫一樣，遠(yuǎn)古螽斯也依靠聲音傳遞信息。
進(jìn)一步的數(shù)據(jù)庫(kù)分析表明，在2.4億至1億年前，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)位的分區(qū)就像收音機(jī)一樣，不同的頻道占據(jù)不同的頻率，之間互不干擾。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，意味著不同種類(lèi)螽斯發(fā)聲頻率明顯不同，極大地降低了聲音交流時(shí)其他聲學(xué)信號(hào)的干擾，提高了聲音交流的效率。高效的聲音交流能力，很可能是早期得以繁盛和演化的重要驅(qū)動(dòng)力之一。
在侏羅紀(jì)道虎溝化石中發(fā)現(xiàn)的鳴螽聽(tīng)器，可以明顯看出硬質(zhì)鼓膜板和軟質(zhì)的鼓膜。這種鼓膜+鼓膜板的結(jié)構(gòu)形成了杠桿，大大提高了聲波的傳導(dǎo)效率。在道虎溝發(fā)現(xiàn)的這種螽斯聽(tīng)器證明，1.6億年前的侏羅紀(jì)時(shí)期，螽斯已經(jīng)可以接收到各種頻率的聲音。綜合鳴器、聽(tīng)器的形態(tài)特點(diǎn)，研究人員判斷，早在此時(shí)，雄性螽斯之間就已經(jīng)能靠聲音傳遞如爭(zhēng)奪領(lǐng)地、求偶等復(fù)雜信號(hào)。
聲音特性不同甚至能直接影響動(dòng)物種群的興衰。研究人員發(fā)現(xiàn)，在約2億年前的早中侏羅世，螽斯類(lèi)群發(fā)生了明顯的類(lèi)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(chóng)開(kāi)始衰落，鳴螽科昆蟲(chóng)開(kāi)始崛起。這很可能是由于高低音“雙料能手”相比于音域?qū)拸V的“廣譜選手”在信息傳遞上更具優(yōu)勢(shì)。每個(gè)種類(lèi)都在“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，以求獲得更大生存機(jī)會(huì)。此外，螽斯高頻聲音的興起可能也促進(jìn)了早期哺乳動(dòng)物聽(tīng)覺(jué)能力的提高，更適應(yīng)傳遞和接收聲音的動(dòng)物經(jīng)受住了進(jìn)化的考驗(yàn)，逐漸發(fā)展壯大。
真實(shí)的遠(yuǎn)古世界絕不是一場(chǎng)“默片”。綜合其他古生物化石證據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)遠(yuǎn)古森林中的聲音做了還原。在2億多年前，森林中的聲音由昆蟲(chóng)鳴聲占據(jù)主導(dǎo)。到1.8億至1.6億年前，增添了青蛙、鳥(niǎo)類(lèi)的聲音。直到大約1億年前，各類(lèi)鳴聲動(dòng)物種類(lèi)增多，漸趨復(fù)雜的“森林交響樂(lè)”也越來(lái)越接近現(xiàn)代的面貌。
在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史中，每一個(gè)存在過(guò)的生物都曾經(jīng)有實(shí)體、有聲音、有色彩。“現(xiàn)在，打破‘默片’的探索已經(jīng)開(kāi)始，遠(yuǎn)古的聲音遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單，未來(lái)的探索還將繼續(xù)。”許春鵬說(shuō)。
來(lái)源：2023年1月25日出版的《環(huán)球》雜志 第2期 （原標(biāo)題：探聽(tīng)“默片”式的遠(yuǎn)古世界）

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