Những bí mật của biển: Âm thanh và các sinh vật biển

Con người cũng lợi dụng âm thanh để thăm dò thế giới dưới nước. Âm thanh được sử dụng cho nhiều lý do, trong đó có khảo sát địa lý, khảo sát sinh học và để định vị các mỏ dầu, mỏ khí. Để hiểu được việc con người sử dụng âm thanh có thể ảnh hưởng đến động vật như thế nào, chúng ta cần tìm hiểu kỹ hơn về việc sử dụng âm thanh của động vật trong đại dương.

Động vật nghe dưới nước như thế nào?

Ánh sáng mặt trời xuyên qua nước không tốt lắm và tầm nhìn có thể kém ngay cả trong nước cạn. Các tính chất của âm thanh là một cách lý tưởng để giao tiếp dưới nước vì vậy nhiều động vật sử dụng âm thanh để giao tiếp với nhau và để “ quan sát” các vật thể trong môi trường biển.

Nhiều động vật biển đã tiến hóa rất nhiều cách khác nhau để tìm và tạo ra âm thanh trong nước. Hầu hết các loài cá, ngoại trừ cá mập và cá đuối gai độc, có các tế bào lông giác quan nằm trong một khoang nhỏ trong tai đầy chất nhớt. Gắn với các sợi lông có tên khoa học là stereocilia và nằm trong chất lỏng của mỗi tai là một otolith hay xương tai. Khi sóng âm thanh đi qua nước và cơ thể của cá, các otolith có khuynh hướng đứng yên, liên quan đến chuyển động của cá. Quán tính của các otolith kích thích những stereocilia để chuyển tải thông điệp lên não.

Một phương pháp khác sử dụng các túi khí khép kín hoặc phổi của các động vật có vú như cá heo và cá voi hoặc bong bóng bơi trong cá. Không khí trong bong bóng bơi thì dễ nén bởi sóng áp lực âm thanh, các sóng này được biến đổi thành các rung động, cho phép cá dò ra âm thanh cũng như các dao động. Sự nhạy cảm của cá đối với âm thanh và dao động khác nhau ở các loài khác nhau tuỳ thuộc vào trạng thái gần nhau giữa bong bóng bơi và tai trong của cá.

Động vật tạo âm thanh dưới nước như thế nào

Loài giáp xác như tôm cua, loài có bộ xương ngoài, tạo ra âm thanh bằng cách cọ hoặc đánh một phần của cơ thể chúng vào một phần khác trên cơ thể để làm nó rung động, tương tự như cách mà côn trùng tạo ra âm thanh. Âm thanh “ lách tách” của những loài động vật như thế này tạo ra một loạt xung âm thanh lanh lảnh có thể nghe ở một khoảng cách xa. Do có quá nhiều những sinh vật nhỏ nên chúng tạo ra phần lớn âm thanh nền trong đại dương.

Cá có da mềm nên không thể tạo ra âm thanh bằng cách này và phải tích cực rung động một bộ phận nào đó của cơ thể. Một số con cá rung động không khí trong bong bóng bơi của chúng để tạo ra âm thanh và những âm thanh sau đó phát ra trong môi trường nước xung quanh.

Một cách tạo ra âm thanh điển hình khác là của cá voi và cá heo. Nhìn chung, chúng tạo ra âm thanh bằng cách di chuyển không khí từ một khoang này đến một khoang khác trong cơ thể thông qua một loại van với một “ môi” rung. Bởi tỷ trọng thịt của một động vật biển thì tương đương với tỷ trọng nước nên âm thanh phát ra một cách có hiệu quả, khá lớn và truyền đi một quãng đường dài.

Tiếng vang và định vị bằng tiếng vang

Một số động vật như cá voi và cá heo đã tiến hóa và sử dụng được sonar (SOund NAvigation and Ranging) hay định vị bằng tiếng vang để tạo ra và phát hiện âm thanh. Điều này bù đắp cho thông tin thị giác bị thiếu hụt trong đại dương. Những động vật này tạo ra tiếng “ tách” có tần số rất cao và ngắn bằng cách di chuyển không khí đi qua “ chiếc môi” rung trong đầu của chúng.

Sóng âm thanh đi theo hướng chủ yếu về phía trước, được tập trung bởi một bộ phận nằm trên đầu có chứa mỡ. Một phần âm thanh bị dội lại bởi những vật thể như một hòn đá hay một con cá và sau đó được chuyển đến màng nhĩ của tai thông qua hàm dưới, hàm dưới này cũng có một khu vực đầy mỡ.

Thời gian trì hoãn cho chặng đường đi của xung là khoảng 1,5 phần nghìn giây trên 1 mét di chuyển nhưng cũng đủ lâu để cho các động vật xác định được vị trí của vật thể. Các xung lặp đi lặp lại giúp con vật giảm bớt tác động của âm thanh nền hoặc tiếng động phát ra từ những con vật khác, và tần số chính xác của tiếng động quay trở lại cho biết thông tin về chuyển động của vật thể.

Tuỳ thuộc vào kích cỡ của vật đích, sự định vị bằng tiếng vang hữu ích trong khoảng trên hàng chục mét hoặc xa hơn. Một số động vật đã phát triển được khả năng phân biệt nhạy cảm một cách rất đáng nể: cá heo có thể phát hiện ra sự khác biệt giữa một vật rắn và một quả banh bằng kim loại bị lõm vào với kích thước bằng một trái bóng chày với khoảng cách 20 mét.

Tiếng ồn trong đại dương

Âm thanh nền trong đại dương được tạo ra bởi tiếng sóng vỗ, gió và mưa, bởi một lượng lớn các loài giáp xác nhỏ và những động vật khác. Mức độ âm thanh nền điển hình là khoảng 100 decibel (dB). Gió và sóng trong bão, và “ dàn hợp xướng” từ cá và loài không xương sống có thể tăng mức độ này lên khoảng 120dB.

Các đo đạc cho thấy rằng, Thái Bình Dương vẫn khá yên lặng và phần lớn âm thanh nền là do gió và các sinh vật biển tạo ra. Điều này trái ngược với Đại Tây Dương, nơi phần lớn âm thanh nền đến từ những cánh quạt đánh tung sóng của những tàu thủy đi trên đại dương.

Mức độ tiếng ồn từ các nguồn nhân tạo và động vật.

Biểu đồ dưới đây cho thấy sự phân bố tần số các mức độ áp lực từ các nguồn âm thanh tự nhiên và nhân tạo trong hải phận Úc. Các số decibel thì thấp bởi vì chúng cho thấy các mức độ áp lực âm thanh trong những dải tần riêng lẻ chỉ rộng 1 hertz ở mỗi tần số. Phải cộng các con số của tất cả các dải tần này để có được tổng áp lực âm thanh.

Trong vòng 1 mét của bộ chuyển đổi sonar điển hình, mức độ công suất âm thanh có thể lên đến 180dB, có thể so sánh với mức độ cao nhất của tiếng kêu động vật. Nhưng các bộ chuyển phát sonar của con người có thể được sắp xếp theo những hàng dài để tín hiệu duy trì được công suất cao ở những khoảng cách đáng kể.

Những con vật có tiếng kêu to nhất trong đại dương, như hải cẩu và cá voi, trong khoảng cách 1 mét tiếng kêu của chúng lên đến 190dB, tương đương mức độ công suất âm thanh của tiếng hét to của con người trong không khí với cùng một khoảng cách. Một số tiếng kêu định vị bằng tiếng vang có thể đạt đến 230dB, mặc dù chỉ trong thời gian rất ngắn.

Những âm thanh khác trong đại dương, gồm động đất dưới biển và phun trào núi lửa ở đáy biển, được ghi lại với mức độ vượt qua mức độ của các tiếng kêu định vị bằng tiếng vang, đạt hơn 240dB trên những khu vực rất rộng lớn. Việc con người sử dụng sonar có hại cho động vật đại dương hay không?

Ảnh hưởng tiềm tàng của sonar lên động vật biển thì tương tự như ảnh hưởng của con người tiếp xúc với tiếng ồn:

· Thay đổi hành vi

· Mất khả năng nghe tạm thời hoặc vĩnh viễn hoặc tổn thương mô và

· Phản ứng stress sinh lý học

Những loài bị ảnh hưởng bởi âm thanh tùy thuộc vào tần số và mức độ áp lực âm thanh. Chẳng hạn như, các nguồn âm thanh như súng hơi tạo ra nhiều tiếng ồn hơn trong tầm nghe của cá voi sừng hàm (baleen) so với các máy dò tiếng vang tần số thấp nhưng các máy dò này lại tạo ra nhiều tiếng ồn hơn trong tầm nghe của hải cẩu và cá voi có răng. Những âm thanh ảnh hưởng đến loài này có thể không ảnh hưởng đến những loài khác.

Những nguy cơ tiềm tàng đối với động vật do việc con người sử dụng âm thanh gây ra là do sự kết hợp ảnh hưởng của mức độ năng lượng, tần số và âm thanh trong nước do “ địa hình” dưới nước tạo ra. Các thiết bị có công suất thấp và tần số cao một cách thích đáng thì tạo ra nguy cơ không nghiêm trọng. Những thiết bị tạo ra nguy cơ cao nhất là hệ thống súng hơi và các bộ chuyển đổi công suất cao với góc chùm rộng.

Làm thế nào chúng ta có kết quả nếu động vật bị ảnh hưởng bởi âm thanh?

Không phải luôn luôn dễ dàng để xác định liệu một con vật có bị tổn thương khi tiếp xúc với âm thanh hay không. Các nhà sinh học và kỹ sư đã phát triển được một chiếc thẻ kỹ thuật số mới, có thể cho biết thông tin về hành vi của cá voi, bao gồm chúng lặn sâu bao nhiêu, chúng nghe những gì và chúng tạo ra âm thanh gì để giao tiếp. Chiếc thẻ này có thể giúp thực hiện những thí nghiệm có kiểm soát hơn là chỉ những quan sát ngẫu nhiên về hành vi của con vật xảy ra có một lần . Các kỹ thuật chụp CT và 3D cũng đang được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tai của động vật có vú dưới biển và làm thế nào chúng có thể bị thương khi tiếp xúc với các nguồn âm thanh.

An toàn và âm thanh

Một số nghiên cứu đã được thực hiện để điều tra ảnh hưởng tiềm tàng của việc con người sử dụng sonar cho các mục đích nghiên cứu, đặc biệt trong những vùng biển yên tĩnh tự nhiên, xung quanh vùng Antarctica (Nam cực). Các hướng dẫn quốc tế đã được phát triển cho việc sử dụng sonar, để giảm thiểu khả năng bị tổn thương hoặc rối loạn cho các động vật biển.

Các biện pháp này gồm có việc sử dụng mức độ năng lượng âm thanh nhỏ nhất được yêu cầu và sử dụng rất ít vào những thời điểm mà con vật nhạy cảm hơn đối với sự quấy rối, như lúc sinh sản hoặc giao phối. Các nhà nghiên cứu ghi lại những chi tiết của các hoạt động âm thanh, để cho phép đánh giá ngược về trước nguyên nhân của bất cứ thay đổi nào trong tương lai đối với sự phân bố, số lượng hoặc các kiểu sinh sản của động vật.