科技日報記者 張曄

化石就像一塊無字天書，為我們打開了一扇窗口，一窺遠(yuǎn)古時期動植物的模樣和生態(tài)環(huán)境。但是，聲學(xué)景觀無法直接保存在化石中，我們對動物聲音的起源和演化了解非常有限。

(資料圖片僅供參考)

12月13日，《美國科學(xué)院院報》（PNAS）在線發(fā)表了一項中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的成果，科研人員對全球各大博物館1000多塊螽斯化石進(jìn)行研究，重建了其鳴聲頻率的宏演化歷史，發(fā)現(xiàn)在2.4億年前的三疊紀(jì)，螽斯可以發(fā)出高達(dá)12—16kHz的鳴聲，這也是整個動物界最古老的高頻聲音記錄。

侏羅紀(jì)螽斯的生態(tài)復(fù)原圖。

如何通過化石還原遠(yuǎn)古的聲音

聲音交流是動物最重要的通訊方式之一，對動物的生存具有非常重要的意義。聲音交流通常被用于求偶、交配、捕食和躲避天敵等行為中，這也構(gòu)成了現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)中紛繁復(fù)雜的聲學(xué)景觀的一部分。

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。其中螽斯（俗稱蟈蟈、紡織娘）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。螽斯在中生代非常繁盛，因此是動物聲學(xué)演化研究的一類理想類群。

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王博研究員和張海春研究員的指導(dǎo)下，從世界各地的博物館檢視了1000多塊直翅目化石標(biāo)本，并找出100多塊有研究價值的標(biāo)本，建立了螽斯化石的關(guān)鍵形態(tài)特征數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)生物物理模型，對中生代螽斯的鳴聲頻率進(jìn)行了系統(tǒng)重建。

“蟈蟈可以利用前翅間的相互摩擦發(fā)出聲音，位于臀區(qū)的前翅分布有小齒結(jié)構(gòu)，用以摩擦發(fā)音，因此又稱為音齒?！?許春鵬介紹。

有發(fā)音器就有聽器（耳朵）。蟈蟈的聽器在腿上，它的前足有一對鼓膜，可以接收聲音信號。

三疊紀(jì)螽斯的音齒（上）和侏羅紀(jì)螽斯的聽器（下）。

在此之前，已有科學(xué)家建立了現(xiàn)生螽斯鳴聲頻率與音齒的模型，通過對比發(fā)現(xiàn)，中生代的螽斯化石聲音器官的形態(tài)特征與現(xiàn)生螽斯基本一致，這也為后期研究奠定了基礎(chǔ)。

通過對南非和哈薩克斯坦標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)，早在2.4億年前三疊紀(jì)中期，螽斯就已經(jīng)可以發(fā)出高頻的鳴聲（12-16 kHz），這也是整個動物界最古老的高頻聲音記錄。

“現(xiàn)生的螽斯（蟈蟈）的叫聲頻率大概在1—9kHz之間，我們?nèi)祟惖穆犃Ψ秶?.02kHz到20kHz之間，但是據(jù)我了解，大部分成年人不一定能聽到高于14kHz的聲音，因此這些高頻的聲音對我們來講很難有一個直觀的感受?！痹S春鵬說道。

動物聽力范圍（上）、現(xiàn)生和中生代螽斯的鳴聲頻率分布（下）。

大嗓門的蟈蟈為何被淘汰

中生代時期螽斯非常繁盛，它們就像不知疲倦的“歌唱家”，從清晨唱到夜晚。在此起彼伏的鳴叫聲中，它們宣示領(lǐng)地、尋親訪友、求偶繁衍。那個時期，地球上似乎還沒有哪個動物的“歌聲”比它更嘹亮。

但是，這樣的大嗓門也為螽斯引來麻煩。

許春鵬研究的化石標(biāo)本主要分為兩類，一種是哈格鳴螽科，另一種是鳴螽科。通過統(tǒng)計學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)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。

許春鵬分析認(rèn)為，哈格鳴螽科昆蟲的鳴聲頻率在4—16 kHz近乎均勻分布；鳴螽科昆蟲的鳴聲頻率顯示為雙峰分布（主要位于4—8kHz和12—16kHz兩個范圍內(nèi)）。高頻鳴聲有利于躲避捕食者的探查，但傳播距離較近；低頻鳴聲則恰好相反，雖易被探查，卻能夠傳播更遠(yuǎn)的距離。最終，具有“更高的聲學(xué)能力”的鳴螽科取代了哈格鳴螽。

而中生代螽斯這種極高的聲音頻率多樣性表明，在同一時代的生態(tài)系統(tǒng)中，已經(jīng)具有明顯的聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)現(xiàn)象?！奥晫W(xué)生態(tài)位的分區(qū)就像是我們的收音機(jī)一樣，不同的頻道占據(jù)不同的頻率，他們之間互不干擾?！痹S春鵬說，聲學(xué)生態(tài)位分區(qū)的出現(xiàn)，可以極大地降低聲學(xué)交流時其他聲學(xué)信號的干擾，提高聲學(xué)交流的效率。高效的聲學(xué)交流能力很可能是中生代早期螽斯輻射演化的驅(qū)動因素之一。

因此，研究人員推測，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)動因素之一。

穿越時空感受中生代的聲學(xué)景觀

在現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)中，聲學(xué)景觀紛繁復(fù)雜。

許春鵬為記者展示了一個靜態(tài)視頻，這是葡萄牙的一處森林，我們可以聽到其中的各種聲音，能辨認(rèn)出有鳥類的叫聲、昆蟲的叫聲以及青蛙的叫聲等聲音。

“在現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的聲學(xué)景觀中，熱帶地區(qū)由昆蟲和青蛙的叫聲占據(jù)主導(dǎo)，而在溫帶地區(qū)，鳥類的叫聲更為豐富?！痹S春鵬說，但是他們研究發(fā)現(xiàn)，中生代聲景與現(xiàn)代完全不同。

在三疊紀(jì)時期主要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；但一直到白堊紀(jì)時期，森林中的聲學(xué)景觀才接近現(xiàn)代。總之，隨著各類鳴聲動物類群的輻射演化，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。

動物聲學(xué)演化事件。

與其他脊椎動物相比，現(xiàn)生哺乳動物具有更高頻的聽力范圍和更靈敏的聽覺能力。但是在爬行動物占據(jù)主體生態(tài)位的中生代，原始的哺乳動物比較弱小。它們多為夜行的小型食蟲類，很可能利用聲音進(jìn)行定位獵物和偵查捕食者。而善于鳴叫、體型碩大的螽斯可能為早期哺乳動物提供了理想的食物來源。

許春鵬認(rèn)為，中生代螽斯在早-中侏羅世發(fā)生了一次明顯的類群更替（從哈格鳴螽科主導(dǎo)轉(zhuǎn)為鳴螽科主導(dǎo)），時間上恰好對應(yīng)了早期哺乳動物的輻射事件，并伴隨其聽覺能力的提高。因此，早期哺乳動物很有可能對螽斯的演化產(chǎn)生了定向選擇作用，促進(jìn)了哈格鳴螽科昆蟲的衰落以及聲學(xué)通訊能力和飛行能力更強(qiáng)的鳴螽科昆蟲的崛起。反之，螽斯高頻聲音的出現(xiàn)可能也促進(jìn)了早期哺乳動物聽覺能力的提高。

（圖片由受訪者提供）

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