Chế tạo máy dò giun đất: Bài toán cảm biến dưới lòng đất

Chế tạo máy dò giun đất: Bài toán cảm biến dưới lòng đất

Chúng ta biết rất nhiều về chuyển động của kiến, nhện, bọ cánh cứng hay ong, nhưng gần như mù tịt về những gì diễn ra dưới mặt đất. Một nhà nghiên cứu đặt câu hỏi: liệu công nghệ cảm biến hiện đại có thể giúp chúng ta "nhìn thấy" giun đất và lập bản đồ chuyển động của chúng ở quy mô cánh đồng?

Khoảng trống lớn trong nghiên cứu về giun đất

Giun đất đóng vai trò then chốt đối với độ phì nhiêu và sức khỏe của đất. Chúng ta đã có nhiều nghiên cứu lấy mẫu giun trên thực địa, qua đó biết được mức độ phong phú và đa dạng của chúng trong nhiều hệ sinh thái, đặc biệt là trong các vùng nông nghiệp.

Tuy nhiên, điều mà giới nghiên cứu vẫn thiếu là dữ liệu về chuyển động của giun, cả ở cấp độ cá thể lẫn cấp độ quần thể. Để nghiên cứu được điều này, cần có một loại thiết bị đặc biệt: một "máy dò giun".

Việc lập bản đồ không chỉ một loài, mà cả một quần thể giun trong một cánh đồng, sẽ là nguồn dữ liệu vô cùng giá trị. Hiện tại, theo hiểu biết của tôi, chưa có phương pháp nào làm được điều đó.

Những gì chúng ta từng làm được

Nghiên cứu gần như duy nhất ghi nhận và lập bản đồ chuyển động của giun đất tại chỗ là của Mather và Christensen năm 1988 tại Đan Mạch. Họ nghiên cứu loài Lumbricus terrestris — loài giun phân bố rộng khắp toàn cầu, kể cả ở Úc. Loài này thường nổi lên mặt đất, nhất là sau mưa, và để lại vệt di chuyển, giúp việc quan sát dễ dàng hơn.

Cũng chính hai tác giả này, sau đó 6 năm, đã thực hiện một thí nghiệm tương tự với loài giun dẹp New Zealand xâm lấn Arthurdendyus triangulatus tại quần đảo Faroe. Lần này, thay vì đo vệt di chuyển bằng dây, họ đặt giun dẹp lên tấm nhựa đen và đo vệt chất nhầy nhờ các giọt nước được bố trí sẵn.

Cả hai nghiên cứu đều chỉ đo được chuyển động trên mặt đất. Với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ cảm biến và ngành phenomics (phân tích kiểu hình), đã đến lúc phát triển phương pháp mới.

Giun đất di chuyển được bao xa?

Trong đêm ngày 23-24 tháng 10 năm 1987, ba mươi cá thể L. terrestris đã di chuyển quãng đường tối thiểu trung bình 9,0 mét (độ lệch chuẩn 3,6 mét). Khoảng cách từng cá thể dao động từ 3,8 mét đến 19,3 mét.

Con số này thực tế còn cao hơn, bởi nhiều vệt di chuyển của giun đã vượt ra khỏi khu vực nghiên cứu (một con đường đất) và tiếp tục sang cánh đồng bên cạnh, khiến nhóm nghiên cứu không thể đo hết. Ngoài ra, máy kéo và dấu chân người cũng làm hỏng một số vệt. Tóm lại, một con giun L. terrestris trung bình có thể di chuyển ít nhất 9 mét mỗi đêm.

Ý tưởng về công nghệ dò giun

Ý tưởng đầu tiên nảy ra là dùng LiDAR. Nhưng LiDAR gửi xung ánh sáng, mà ánh sáng không xuyên qua được mặt đất. Vậy thay vào đó, ta có thể dùng vi sóng hoặc bước sóng khác? Vi sóng chính là nền tảng của radar xuyên đất (Ground Penetrating Radar).

Giun đất và ấu trùng bên cạnh cảm biến độ ẩm/nhiệt độ đất

Vấn đề là liệu radar xuyên đất có đủ độ phân giải để phát hiện giun hay không. Khó khăn còn nằm ở chỗ ta cần dữ liệu ba chiều, và khác với khí quyển, lòng đất là môi trường rắn đặc. Có lẽ ta cần cắm các đầu dò xuống đất để thu thập dữ liệu.

Hình dung cụ thể như sau:

• Cắm một đầu dò xuống đất, phát ra các xung ở bước sóng nhất định
• Xung có cường độ và tần số đã biết, thay đổi tùy theo có hay không có giun
• Cần thực nghiệm trước để hiểu mối quan hệ này khi số lượng giun thay đổi từ 0, 1 đến 10 con
• Đầu dò ghi lại dữ liệu kèm tọa độ GPS
• Triển khai có hệ thống khắp cánh đồng, ví dụ một đầu dò mỗi 15 mét
• Đưa toàn bộ dữ liệu thô vào mô hình, hiệu chỉnh theo loại đất, độ ẩm, nhiệt độ
• Ghép dữ liệu theo không gian ba chiều để tạo bản đồ 3D

Ngay cả khi không thể xác định chính xác vị trí giun trong không gian ba chiều, liệu ta có thể tạo ra một bản đồ nhiệt 2D thể hiện xác suất xuất hiện giun theo không gian ở quy mô cánh đồng? Nghe có vẻ khả thi và là bước đi đúng hướng.

Làm sao phân biệt giun với các loài khác?

Một đặc điểm riêng của giun là cơ thể mềm, không có bộ xương ngoài mà có bộ xương thủy tĩnh. Đặc điểm này có thể gây khó khăn cho việc phát hiện, nhưng công nghệ nên tận dụng nó như một lợi thế. Có thể cần các nghiên cứu sơ bộ để xác định "dấu vân tay" của giun, nhưng vì giun khá khác biệt so với các loài động vật đất khác, chúng là ứng viên tốt để thử nghiệm.

Ta cũng có thể thử trong điều kiện lý tưởng trước, chẳng hạn vào một ngày mưa khi giun di chuyển lên tầng đất trên cùng. Liệu điều đó có giúp phát hiện dễ hơn?

Những câu hỏi mà máy dò giun có thể trả lời

Nếu thành công, công nghệ này sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu thú vị:

• Tốc độ di chuyển của giun
• Quy luật chuyển động ở cấp độ cá thể
• Quy luật chuyển động ở cấp độ quần thể
• Giun thích khám phá hay sống tĩnh tại? Khi điều kiện ổn định, chúng có di chuyển sang vùng mới hay ở lại lãnh thổ của mình?
• Các ụ giun và hang giun tồn tại bao lâu trong đất? Quá trình hình thành và phá hủy hang giun phụ thuộc vào loại đất, nhưng rất quan trọng để hiểu về độ nén và độ thoáng khí của đất
• Mức độ không đồng nhất về không gian của giun đất

Ý nghĩa thực tiễn cho nông nghiệp

Việc lập bản đồ giun ở quy mô cánh đồng mang lại lợi ích lớn. Quy mô các quá trình sinh thái và dịch vụ mà giun cung cấp cũng tăng theo diện tích. Không chỉ giúp hiểu rõ hơn lợi ích của giun đối với đất, quy mô cánh đồng còn là quy mô mà nông dân có thể quản lý.

Biết được vị trí giun trong cánh đồng, dù chỉ tương đối, sẽ giúp nông dân chính xác hơn trong việc xử lý và đưa vào đất các loại vật tư. Kiến thức này hỗ trợ bảo tồn quần thể giun cả ngắn hạn lẫn dài hạn.

Không chỉ là giun

Vấn đề không dừng ở giun. Chúng ta vẫn chưa giải quyết được bài toán phenomics dưới lòng đất ở quy mô cánh đồng, bao gồm cả việc lập bản đồ và trực quan hóa hệ rễ cây ngầm. Phát triển máy dò giun cũng có thể giúp hình dung hệ rễ tốt hơn.

Thêm vào đó, luôn có những phát hiện bất ngờ. Một "máy dò giun" có thể vô tình phát hiện ra những loài thú vị khác, như loài ếch giun (Caecilians).

Ý tưởng nghe có vẻ khả thi trong đầu người viết, nhưng chắc chắn anh ấy đang đánh giá thấp mức độ khó khăn thực sự của bài toán này.