В 2021 году ученые, экспериментировавшие с волоконной оптикой, уловили странный сигнал: какофонию цикад. Это может привести к новому способу мониторинга насекомых.
Поскольку система DAS может отслеживать сейсмичность, другие ученые все чаще используют ее для мониторинга землетрясений и вулканической активности. (Закопанная в землю система настолько чувствительна, что может обнаруживать людей, проходящих и проезжающих над ней). Но ученые из Принстона только что наткнулись на довольно... шумное применение этой технологии. Весной 2021 года Сарпер Ожарар - физик из NEC Laboratories, которая управляет принстонским испытательным полигоном, - заметил странный сигнал в данных DAS. "Мы поняли, что происходят какие-то странные вещи", - говорит Ожарар. Что-то, чего там не должно быть". Повсюду было слышно гудение определенной частоты."
Команда подозревала, что это "что-то" - не грохочущий вулкан, не в Нью-Джерси, а какофония гигантского роя цикад, только что вылезшего из-под земли, популяции, известной как Brood X. Коллега предложил обратиться к Джессике Уэр, энтомологу и эксперту по цикадам из Американского музея естественной истории, чтобы подтвердить это. "Я наблюдала за цикадами и объехала Принстон, потому что мы собирали их для биологических образцов", - говорит Уэйр. "Поэтому, когда Сарпер и его команда показали, что можно услышать громкость цикад, и она как бы совпадает с их паттернами, я был очень взволнован".
Добавьте насекомых к быстро растущему списку вещей, за которыми может шпионить DAS. Благодаря особой анатомии цикады являются самыми громкими насекомыми на планете, но и другие шестиногие виды, например сверчки и кузнечики, тоже издают много шума. С помощью оптоволоконных кабелей энтомологи, возможно, наткнулись на новый мощный способ дешево и постоянно прослушивать виды - издалека. "Часть проблемы, с которой мы сталкиваемся в период сокращения численности насекомых, заключается в том, что нам все еще нужно собирать данные о размерах популяций и о том, какие насекомые где обитают", - говорит Уэйр. "Как только мы ознакомимся с возможностями этого типа дистанционного зондирования, я думаю, мы сможем проявить настоящую изобретательность."
ДАС - это вибрации, будь то звуки поющего выводка цикад или смещение геологического разлома. Волоконно-оптические кабели передают информацию, например, высокоскоростной интернет, с помощью импульсов света. Ученые могут использовать прибор-интеррогатор, чтобы светить лазером вниз по кабелю, а затем анализировать крошечное количество света, которое отражается обратно к источнику. Поскольку скорость света является известной константой, они могут точно определить, где именно в кабеле происходит то или иное возмущение: Если что-то толкнет кабель на расстоянии 100 футов, свет будет возвращаться к допрашивающему устройству немного дольше, чем если бы это произошло на расстоянии 50 футов. "Каждый 1 метр волокна, более или менее, мы можем превратить в своего рода микрофон", - говорит Ожарар.
Команда Ожарара сосредоточилась на петле кабеля на одном из коммунальных столбов, которую вы можете видеть на фотографии выше. (Петля выделена красным цветом.) "Если волокно имеет линейную форму, звук взаимодействует с ним всего один раз и затем продолжает распространяться", - говорит Ожарар. "Но если у вас есть катушка, тот же сигнал проходит по волокну несколько раз". Это делает систему гораздо более чувствительной, как при записи концерта с помощью нескольких микрофонов, вместо того чтобы один фанат в толпе снимал звук на свой смартфон.
Когда Brood X появился весной 2021 года, система DAS Озхарара случайно прослушивалась. Этот вид "периодических цикад" развивается под землей и выходит на поверхность каждые 13 или 17 лет, чтобы спариться, в зависимости от вида. "Возможно, из-за изменения климата - хотя мы точно не знаем причину - появились отставшие популяции, то есть популяции, которые появились раньше, и популяции, которые появились позже того времени, на которое они рассчитаны", - говорит Уэйр. "Наличие способа отслеживать их со временем может быть очень полезным".
У самцов цикад есть орган, называемый тимбалом, который вибрирует, как барабан, издавая эту безошибочную песню. У каждого вида есть своя вариация песни, позволяющая подходящим самцам и самкам находить друг друга. В этот звук вложена и дополнительная информация: Самцы обычно поют в самое жаркое время дня, что требует больших энергетических затрат. Это позволяет самкам оценивать качество своих товарищей - они хотят выбирать самых приспособленных самцов, чтобы передать потомству первоклассные гены.
Вот и весь шум. DAS может прослушивать шум с самого начала появления, через пик и спад, когда ритуал массового спаривания сходит на нет. Громкость шума является надежным индикатором количества цикад, поэтому энтомологи могут определить численность популяции выводка. Они даже могут проследить влияние температуры: Когда жарко, самцам цикад труднее петь. "Вы можете видеть, что в течение пяти дней, за которые у нас есть данные мониторинга, при более низких температурах у них немного меняется частота пения в герцах", - говорит Уэйр.
Оптоволоконные кабели уже повсюду, только и ждут, чтобы ученые подключились к ним. Конечно, их много в городах, но они также проложены между ними, что было бы удобно для энтомологов, которые хотят наблюдать за насекомыми в более сельских районах. "Мы используем их только для передачи данных - нулей и единиц, но мы можем сделать гораздо больше", - говорит Ожарар. "Именно поэтому оптоволоконные датчики будут приобретать все большее значение и более широкое применение в ближайшем будущем".
Не то чтобы кто-то предполагал, что DAS заменит другие способы мониторинга насекомых - оптоволокно широко распространено, но не везде. Вместо этого DAS может дополнить другие методы. В области, называемой биоакустикой, уже используются микрофоны для прослушивания видов в отдаленных районах, иногда с помощью искусственного интеллекта для анализа данных. Этот метод может помочь подтвердить данные, полученные с помощью волоконной оптики. Ученые также экспериментируют с "экологической ДНК", или эДНК, например, используя станции контроля качества воздуха для сбора биологического материала, плавающего в определенном районе. А энтомологам, таким как Уэйр, по-прежнему необходимо собирать образцы в полевых условиях, чтобы физически исследовать здоровье отдельных животных.
"Что кажется действительно крутым в этой новой технологии, так это то, что у вас есть один кабель, который может охватывать потенциально много километров, и вся информация записывается одним устройством", - говорит Эллиот Смедс, энтомолог и научный сотрудник Калифорнийской академии наук, который не принимал участия в исследовании. Особенно сейчас, когда численность насекомых сокращается, мы понимаем, что даже не знаем, каков базовый уровень для многих видов, чтобы отслеживать их состояние". Самое большое препятствие - это наличие достаточного количества людей на земле, чтобы собирать такие данные".
Труднее всего адаптировать DAS для мониторинга видов, которые не являются самыми громкими насекомыми на Земле. "В данном случае было совершенно ясно, что это цикады, потому что их было - без преувеличения - миллионы, которые внезапно опустились на землю", - говорит Уэйр. "Но в большинстве случаев популяции каждого вида гораздо меньше. Вопрос о том, сможем ли мы на самом деле различать насекомых, будет очень интересным".