Ve sầu chu kỳ 13 năm và 17 năm: vì sao lại là số nguyên tố

Ve sầu chu kỳ là các loài ve thuộc chi Magicicada ở miền đông nước Mỹ, sống dưới đất đúng 13 hoặc 17 năm rồi cùng chui lên trong vài tuần, có nơi tới khoảng 1,5 triệu con mỗi mẫu Anh (cỡ 370 con mỗi mét vuông). Cả 13 lẫn 17 đều là số nguyên tố, và giả thuyết phổ biến nhất cho rằng chu kỳ nguyên tố giúp chúng hiếm khi trùng năm với các loài săn mồi có chu kỳ ngắn. Giả thuyết này hấp dẫn nhưng vẫn còn tranh luận.

Mười bảy năm dưới đất, bốn tuần trên cây

Có bảy loài ve sầu chu kỳ được công nhận: ba loài chu kỳ 17 năm, bốn loài chu kỳ 13 năm. Vòng đời của chúng gần như là một cuộc sống ngầm:

1. Trứng trong cành cây. Con cái dùng ống đẻ trứng rạch những đường nhỏ trên cành non, đẻ tổng cộng vài trăm trứng.
2. Ấu trùng rơi xuống đất. Sau khoảng 6–10 tuần, trứng nở; ấu trùng nhỏ như hạt gạo rơi xuống, đào vào đất.
3. Mười ba hoặc mười bảy năm hút nhựa rễ. Ấu trùng bám vào rễ cây, hút nhựa trong mạch gỗ (xylem), thứ dịch rất loãng và nghèo dinh dưỡng. Đó là lý do chúng lớn chậm, lột xác qua năm tuổi.
4. Chui lên đồng loạt. Vào cuối xuân của năm định mệnh, khi đất ở độ sâu khoảng 20 cm ấm tới chừng 18 °C, ấu trùng đào lên trong vài đêm, leo lên thân cây, lột xác lần cuối thành con trưởng thành.
5. Kêu, giao phối, chết. Con trưởng thành sống chỉ khoảng bốn đến sáu tuần. Con đực tụ tập kêu đồng ca, có thể ồn tới mức ngang máy cắt cỏ khi đứng gần.

Những quần thể chui lên cùng năm ở cùng vùng được gọi là một "lứa" (brood) và đánh số La Mã. Hiện có khoảng 12 lứa chu kỳ 17 năm và 3 lứa chu kỳ 13 năm còn tồn tại. Lứa X, một trong những lứa lớn nhất, chui lên năm 2021 và sẽ trở lại năm 2038.

Chúng đếm năm bằng cách nào

Một con côn trùng không có lịch, vậy làm sao biết đã đủ 17 năm? Câu trả lời được ủng hộ nhiều nhất là chúng đếm theo nhịp của cây chủ. Mỗi năm, cây ra lá rồi rụng lá một lần, thành phần nhựa trong rễ thay đổi theo mùa. Ấu trùng có vẻ "đếm" những lần thay đổi ấy.

Năm 2000, Richard Karban cùng cộng sự ở Đại học California, Davis công bố một thí nghiệm khéo léo: họ đặt ấu trùng ve 17 năm vào rễ những cây đào được điều khiển để ra lá hai lần mỗi năm. Kết quả, nhiều ấu trùng chui lên sớm hơn một năm so với lịch. Nghĩa là chúng đếm số vòng mùa của cây, chứ không đếm thời gian thật.

Đôi khi việc đếm sai lệch: một số con ra sớm hoặc muộn, nhất là sớm đúng 4 năm (con 17 năm ra vào năm thứ 13), một hiện tượng mà các nhà khoa học cho rằng có liên quan tới cách hai nhóm chu kỳ tách ra trong quá khứ.

Sinh sôi để áp đảo kẻ săn mồi

Ve sầu chu kỳ không có vũ khí: không nọc, không gai, bay vụng, dễ bắt. Chim, sóc, rùa, cá, cả chó mèo đều ăn chúng. Chiến lược của chúng là làm kẻ săn mồi no tới không ăn thêm được, gọi là bão hoà kẻ săn mồi (predator satiation).

Làm phép tính đơn giản: giả sử trong một khu rừng, quần thể chim có thể ăn tối đa 20 con ve trên mỗi mét vuông trong cả mùa.

Con số 20 chỉ là giả định để minh hoạ, nhưng logic thì đúng: khi lượng thức ăn của kẻ săn mồi có trần, chui lên càng đông thì xác suất sống của từng con càng cao. Một con ve chui lên lệch năm, một mình, gần như chắc chắn bị ăn. Đó là áp lực chọn lọc giữ cho cả lứa đúng giờ.

Cái giá là chu kỳ phải đủ dài để kẻ săn mồi không thể "chờ" theo kịp: không loài chim nào sống và sinh sản theo nhịp 17 năm.

Vì sao lại là số nguyên tố

Giả sử có một loài săn mồi hay ký sinh mà quần thể đạt đỉnh theo chu kỳ 2, 3, 4, 5 hoặc 6 năm. Hai chu kỳ trùng nhau sau một khoảng bằng bội số chung nhỏ nhất (BCNN) của chúng. Bảng dưới đây so ba chu kỳ giả định của ve:

Ve 12 năm sẽ chạm mặt kẻ săn mồi chu kỳ 2, 3, 4, 6 năm ở mọi lần chui lên. Ve 17 năm thì hiếm khi. Số nguyên tố không có ước số nào ngoài 1 và chính nó, nên BCNN với một số nhỏ hơn luôn là tích của hai số: lớn nhất có thể.

Giả thuyết thứ hai: tránh lai giống

Một cách giải thích khác, do nhà sinh học Jin Yoshimura đưa ra năm 1997, gắn chu kỳ nguyên tố với thời kỳ băng hà. Khi khí hậu lạnh, ấu trùng lớn chậm, quần thể thưa, và những con có chu kỳ trùng với nhóm khác dễ lai với nhau, sinh ra con lai lệch nhịp, dễ chết. Chu kỳ nguyên tố giảm số lần hai nhóm gặp nhau: nhóm 13 năm và nhóm 17 năm chỉ cùng chui lên một chỗ mỗi 13 × 17 = 221 năm.

Cả hai giả thuyết đều có chỗ chưa chặt: người ta chưa tìm thấy loài săn mồi nào thật sự bám theo chu kỳ 2–6 năm của ve, còn mô hình tránh lai giống phụ thuộc nhiều vào giả định. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chu kỳ dài và tính đồng loạt quan trọng nhất, còn "nguyên tố" có thể là một phần của câu chuyện chứ chưa chắc là toàn bộ.

Năm 2024: hai lứa cùng ra sau 221 năm

Mùa xuân năm 2024, lứa XIII (chu kỳ 17 năm, vùng Illinois) và lứa XIX (chu kỳ 13 năm, rải khắp đông nam nước Mỹ) cùng chui lên. Lần gần nhất hai lứa đúng này cùng ra là năm 1803, khi Thomas Jefferson còn làm tổng thống; lần tới là năm 2245. Ở vài khu vực giáp ranh, hai lứa thật sự chồng lên nhau, cho các nhà khoa học cơ hội hiếm hoi để xem con lai có xuất hiện không.

Tổng số ve chui lên năm ấy được báo chí khoa học ước tính lên tới hàng nghìn tỉ con. Con số chính xác thì không ai đếm được, nhưng mật độ đo ở từng ô mẫu cho thấy vài trăm con mỗi mét vuông ở nơi đông nhất là có thật.

Góc nhìn hôm nay: từ ve Mỹ tới tiếng ve mùa hè Việt Nam

Ve sầu ở Việt Nam, thứ âm thanh gắn với mùa hè và mùa thi, thuộc những loài khác. Ấu trùng của chúng cũng sống dưới đất vài năm, nhưng các lứa không đồng bộ: năm nào cũng có một phần quần thể trưởng thành, nên năm nào ta cũng nghe tiếng ve, không có "năm ve" bùng nổ như ở Mỹ. Đó là chiến lược phổ biến hơn trong tự nhiên; ve sầu chu kỳ là ngoại lệ.

Câu chuyện ve 17 năm cho thấy sinh sôi không chỉ là đẻ nhiều. Nó còn là chuyện thời điểm: dồn mọi cá thể vào cùng một khoảnh khắc biến số đông thành tấm khiên. Cùng nguyên lý ấy xuất hiện ở tre ra hoa đồng loạt, ở san hô đẻ trứng cùng một đêm sau trăng tròn, ở rùa biển lên bãi đẻ cùng lúc.

Ai muốn tìm hiểu thêm có thể đọc bài luận nổi tiếng của Stephen Jay Gould về ve sầu trong tập Ever Since Darwin (1977), hoặc tra bản đồ các lứa ve trên trang của Cục Lâm nghiệp Hoa Kỳ và các nhóm khoa học công dân theo dõi ve sầu.