Ve Sầu Kêu Ồn Đến Nỗi Cáp Quang Có Thể 'Nghe' Thấy

Một trong những khu vực thử nghiệm kỳ quặc nhất trên thế giới nằm trên Princeton, New Jersey. Đó là một sợi cáp quang treo giữa ba cột điện tiện ích sau đó chạy dưới đất trước khi đưa vào một 'interrogator'. Thiết bị này bắn một tia laser qua cáp và phân tích ánh sáng phản xạ lại. Nó có thể nhận biết các biến động nhỏ trong ánh sáng do hoạt động địa chấn hoặc thậm chí là tiếng ồn lớn, như tiếng từ xe cứu thương đi qua. Đây là một kỹ thuật mới được biết đến là phát hiện âm thanh phân tán, hay DAS.

Vì DAS có thể theo dõi động đất, các nhà khoa học khác ngày càng sử dụng nó để giám sát động đất và hoạt động núi lửa. (Một hệ thống được chôn sâu thì quá nhạy cảm, thực sự có thể phát hiện người đi bộ và lái xe trên bên trên.) Nhưng các nhà khoa học ở Princeton vô tình phát hiện ra một cách sử dụng của công nghệ hơi... ồn ào. Vào mùa xuân năm 2021, Sarper Ozharar—một nhà vật lý tại NEC Laboratories, đang vận hành khu vực thử nghiệm Princeton—nhận ra một tín hiệu lạ trong dữ liệu DAS. “Chúng tôi nhận ra có những điều lạ lẻ đang xảy ra,” Ozharar nói. “Có điều gì đó không nên xuất hiện ở đó. Có một tần số rõ ràng vang lên khắp mọi nơi.”

Nhóm nghiên cứu nghi ngờ 'điều gì đó' không phải là núi lửa gầm gừ—đặc biệt là ở New Jersey—mà là âm thanh ồn ào từ đàn ve sầu lớn vừa mới xuất hiện từ dưới lòng đất, một quần thể được biết đến là Brood X. Một người đồng nghiệp đề xuất liên lạc với Jessica Ware, một nhà nghiên cứu côn trùng và chuyên gia ve sầu tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, để xác nhận điều này. “Tôi đã quan sát ve sầu và đã đi quanh Princeton vì chúng tôi đang thu thập chúng cho mẫu sinh học,” Ware nói. “Vì vậy, khi Sarper và nhóm cho thấy bạn thực sự có thể nghe được âm lượng của ve sầu, và nó khá khớp với mô hình của chúng, tôi rất phấn khích.”

Thêm côn trùng vào danh sách ngày càng phát triển nhanh chóng những thứ mà DAS có thể gián điệp. Nhờ vào một số cấu trúc sinh học đặc biệt, ve sầu là loài côn trùng kêu ồn nhất trên hành tinh, nhưng có nhiều loại côn trùng sáu chân khác cũng tạo ra nhiều tiếng ồn, như dế và châu chấu. Với cáp quang, nhà nghiên cứu côn trùng có thể đã tình cờ phát hiện ra một cách mới mạnh mẽ, rẻ và liên tục để lắng nghe loài—từ xa. “Một phần của thách thức mà chúng ta đối mặt trong một thời điểm khi có sự suy giảm của côn trùng là chúng ta vẫn cần phải thu thập dữ liệu về kích thước dân số và vị trí của chúng,” Ware nói. “Khi chúng ta có thể làm quen với những điều có thể thực hiện được với loại cảm biến từ xa này, tôi nghĩ chúng ta có thể rất sáng tạo.”

DAS liên quan đến các dao động, cho dù đó là âm thanh của một đàn ve sầu hát hoặc sự chuyển động của một lỗi địa chất học. Cáp quang truyền thông tin, giống như internet siêu tốc, bằng cách phát tín hiệu ánh sáng. Các nhà khoa học có thể sử dụng một thiết bị interrogator để chiếu một tia laser xuống cáp và sau đó phân tích lượng ánh sáng nhỏ quay lại nguồn. Bởi vì tốc độ ánh sáng là một hằng số đã biết, họ có thể xác định chính xác nơi mà một sự xáo lạnhất định xảy ra trên cáp: Nếu có điều gì đó làm rung chấn cáp 100 feet, ánh sáng sẽ mất thời gian ít nhiều lâu hơn để trở lại interrogator so với điều gì đó xảy ra ở 50 feet. “Mỗi 1 mét cáp quang, nhiều hay ít, chúng ta có thể biến nó thành một loại micro,” Ozharar nói.

Nhóm của Ozharar tập trung vào một vòng cáp trên đỉnh một trong ba cột điện tiện ích, mà bạn có thể thấy trong ảnh ở trên. (Vòng được làm nổi bật bằng màu đỏ.) “Nếu sợi quang ở dạng thẳng, âm thanh tương tác với sợi quang chỉ một lần và sau đó tiếp tục di chuyển,” Ozharar nói. “Nhưng nếu bạn có một vòng, tín hiệu giống nhau di chuyển qua sợi quang nhiều lần.” Điều này làm cho hệ thống trở nên nhạy hơn nhiều, giống như việc ghi âm một buổi hòa nhạc với nhiều micro hơn, thay vì chỉ một người hâm mộ trong đám đông tự ghi lại bằng điện thoại thông minh của họ.

Khi Brood X xuất hiện vào mùa xuân năm 2021, hệ thống DAS của Ozharar tình cờ đang lắng nghe. Loại 've sầu chu kỳ' này phát triển dưới lòng đất và nổi lên mỗi 13 hoặc 17 năm để giao phối, tùy thuộc vào loài. “Bởi có lẽ là do biến đổi khí hậu—mặc dù chúng ta không chắc chắn lý do—đã có những con ve sầu xuất hiện sớm và những quần thể xuất hiện muộn hơn so với thời gian metabol của chúng,” Ware nói. “Có một cách để theo dõi chúng qua thời gian có thể hữu ích.”

Ve sầu đực có một cơ quan, được gọi là tymbal, rung như một cái trống để tạo ra bản nhạc không thể nhầm lẫn đó. Mỗi loài có biến thể riêng trong bản nhạc, cho phép đúng đực và cái tìm thấy nhau. Có thông tin bổ sung được nhúng trong âm thanh đó, nữa: Đực thường gọi vào lúc nóng nhất trong ngày, điều đó tiêu tốn năng lượng. Điều này cho phép cái đánh giá chất lượng của đối tác của họ—họ muốn chọn những đực mạnh nhất để chúng có thể truyền gen tốt nhất cho con chúng.

Vì vậy, toàn bộ tiếng ồn. DAS có thể lắng nghe từ đầu sự xuất hiện đến đỉnh cao và vào suy giảm khi nghi lễ giao phối hàng loạt giảm đi. Âm lượng tiếng ồn là một chỉ số đáng tin cậy về số lượng ve sầu, vì vậy nhà nghiên cứu côn trùng có thể xác định kích thước dân số của quần thể ve. Họ thậm chí có thể thấy được ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nóng hơn, đực ve khó hát hơn. “Bạn có thể thấy rằng khi bạn đi qua năm ngày từ khi chúng ta có dữ liệu theo dõi, vào những ngày lạnh hơn, chúng có tần số gọi khác nhau một chút,” Ware nói.

Cáp quang đã có ở khắp mọi nơi, chỉ đợi nhà khoa học khám phá. Chúng rất phổ biến ở các thành phố, tất nhiên, nhưng chúng cũng chạy giữa chúng, điều này sẽ hữu ích cho nhà nghiên cứu côn trùng muốn theo dõi côn trùng ở khu vực nông thôn hơn. “Chúng tôi sử dụng chúng chỉ để truyền dữ liệu—số 0 và 1—nhưng chúng tôi có thể làm nhiều hơn thế,” Ozharar nói. “Đó là lý do tại sao cảm biến sợi quang sẽ trở nên ngày càng quan trọng và được sử dụng rộng rãi hơn trong tương lai gần.”

Không phải ai cũng đang đề xuất rằng DAS sẽ thay thế các phương tiện khác để giám sát côn trùng—cáp quang phổ biến, nhưng chúng không phải ở mọi nơi. Thay vào đó, DAS có thể bổ sung các kỹ thuật khác. Một lĩnh vực gọi là sinh thái âm thanh đã sử dụng micro để lắng nghe các loài trong các khu vực hẻo lánh, đôi khi được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu. Phương pháp này có thể giúp xác nhận dữ liệu từ cáp quang. Các nhà khoa học cũng đang thử nghiệm với “DNA môi trường,” hoặc eDNA, ví dụ như việc sử dụng các trạm chất lượng không khí để thu thập vật liệu sinh học lơ lửng trong một khu vực nhất định. Và nhà nghiên cứu côn trùng như Ware vẫn cần thu thập các mẫu từ địa phương để kiểm tra sức khỏe của cá thể động vật cá nhân.

“Cái gì dường như thực sự tuyệt vời về công nghệ mới này là bạn có một sợi cáp duy nhất có thể bao phủ rất nhiều kilômét, và tất cả thông tin đều được ghi lại bởi một thiết bị duy nhất,” nói Elliott Smeds, một nhà côn trùng học và nghiên cứu viên tại Học viện Khoa học California, người không tham gia vào nghiên cứu. “Đặc biệt là bây giờ khi côn trùng đang giảm số lượng, chúng ta nhận ra rằng chúng ta thậm chí không biết nền cơ sở là gì cho nhiều loài này, để theo dõi họ như thế nào. Rắc rối lớn nhất là có đủ người tham gia để thu thập dữ liệu loại này.”

Bí quyết sẽ là điều chỉnh DAS để giám sát các loài không phải là côn trùng to nhất trên Trái Đất. “Trong trường hợp này, rất rõ ràng rằng đó là ve sầu, vì có—không phóng đại—hàng triệu chúng đột ngột xuống,” Ware nói. “Nhưng trong hầu hết các trường hợp, dân số của mỗi loài ít người hơn nhiều. Việc biết liệu chúng ta có thể phân biệt giữa các loài côn trùng hay không sẽ là một câu hỏi thú vị.”