昆虫是最早掌握飞行能力的动物，它们是如何演化出飞行功能的？由于重建灭绝昆虫的飞行能力非常困难，学界对昆虫能力的演化历史了解有限。近日，中国科学院南京地质古生物研究所博士许春鹏、研究员王博和研究员张海春，与临沂大学地质与古生物研究所教授陈军、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所博士余逸伦等合作，以古蝉为研究对象开展综合研究工作，相关研究成果日前在线发表于国际学术期刊《科学进展》。

  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，生存时限从二叠纪晚期到白垩纪晚期（距今约2.6亿年至1亿年）。古蝉在中生代非常繁盛，保存了大量的化石记录，是探究昆虫飞行能力演化的理想类群。

  何为“飞行竞赛”？2010年，中国科学院南京地质古生物研究所科研团队发现，在侏罗纪最晚期，古蝉类群存在一个明显的演替事件。“以古蝉为代表的昆虫很可能受到新兴空中捕食者的影响，拼命将自己装备起来，演化出了更强的飞行能力。”王博解释，这便是“飞行竞赛”假说。该假说虽被广泛引用，但一直缺少严格的定量验证。

  通过对全球范围内所有代表性的古蝉化石进行检视，研究团队重建了古蝉总科的系统发育关系，识别出了并系的早期古蝉和单系的晚期古蝉两个类群。研究进一步揭示侏罗纪—白垩纪之交的古蝉类群演替事件：原本占据主导地位的早期古蝉开始衰落，晚期古蝉开始崛起。综合各类形态空间分析结果表明，古蝉在这次类群演替事件中发生了明显的表型演化。

  该研究构建了古蝉的空气动力学模型，据此定量评估其飞行性能，阐明了该昆虫类群的飞行能力演化史。研究发现，相比早期古蝉，晚期古蝉的翅载荷、飞行肌肉、前翅展弦均有提升，古蝉发生了显著的形态学演化，飞行速度、飞行灵活度、飞行效率显著提升。该成果为定量计算灭绝昆虫的飞行能力提供了新思路和新方法。

  该研究发现的侏罗纪—白垩纪之交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，鸟类可能是引起中生代“飞行竞赛”的“始作俑者”。

  研究认为，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）产生了严重的影响。在早期鸟类的辐射过程中，翼龙也发生了明显的演化事件：由体形较小、食虫为主的基干类群，逐渐演替为体形较大、食性多样化的翼手龙类。作为潜在的竞争者，鸟类的繁盛可能促进了翼龙的类群演替。总之，中生代的“飞行竞赛”极大影响了翼龙和昆虫的演化，从而重塑了中生代晚期的空中生态系统。