Experimental Study on Hydrodynamic Preferences and Collective Behavior of Fish Groups During Upstream Migration in Non-Uniform Flow

تُعد الأنهار شرايين العالم الطبيعي، فهي تحمل المياه والمغذيات والحياة عبر المناظر الطبيعية. وبالنسبة للعديد من أنواع الأسماك، فإن هذا التدفق ليس مجرد وسط تسبح فيه، بل هو طريق سريع حيوي للهجرة، مما يسمح لها بالسفر من مناطق تغذيتها إلى مواقع وضع البيض المحددة للتكاثر. ومع ذلك، أدى بناء آلاف السدود إلى قطع هذه الروابط، محولةً الأنهار حرة الجريان إلى سلسلة من البرك المعزولة. ولإصلاح ذلك، يبني المهندسون مرافق عبور الأسماك، وهي في الأساس سلالم أو قنوات مائية تحت الماء مصممة لمساعدة الأسماك على تجاوز الحواجض. ومع ذلك، غالباً ما تفشل هذه الهياكل؛ فالمشكلة لا تكمن دائماً في عدم قدرة الأسماك على إيجاد المدخل، بل في عدم قدرتها على التنقل عبر المياه المعقدة والمضطربة بمجرد دخولها. وبينما نعلم أن الأسماك الفردية يمكنها استشعار سرعة الماء والاضطراب عبر خطوطها الجانبية — وهو نظام حسي يمتد على طول جوانبها ويكتشف الحركة والضغط — فقد كافحنا طويلاً لفهم كيفية تحرك مجموعات الأسماك معاً عبر هذه البيئات الفوضوية. هل يتجمعون معاً؟ هل يغيرون تشكيلهم عندما تصبح المياه هائجة؟ وكيف يؤثر شكل تدفق المياه على قدرتهم على السباحة عكس التيار؟

لقد شرع فريق من الباحثين من جامعة سيشوان ومؤسسة الصين لثلاث غورجز في الإجابة على هذه الأسئلة من خلال إعادة إنشاء بيئة نهرية صعبة في بيئة مختبرية محكومة. فقد بنوا قناة مفتوحة كبيرة، وهي خزان طويل مصمم لمحاكاة النهر، وملؤوه بمياه تتدفق بسرعات مختلفة عبر عرضها. وبدلاً من التيار المنتظم، أنشأوا مجال تدفق غير منتظم يتكون من ثلاث مناطق متميزة: مسار بطيء، ومسار متوسط، ومسار سريع، تفصل بينها انتقالات حادة حيث تتغير سرعة المياه بشكل مفاجئ. وفي هذا النظام، أطلقوا مجموعات مكونة من عشر أسماك من نوع Schizothorax prenanti، وهي فصيلة من الأسماك موطنها المنطقة وتهاجر عكس التيار للتكاثر. ومن خلال تصوير الأسماك من الأعلى وتتبع حركاتها باستخدام كاميرات عالية السرعة، تمكن الباحثون من مراقبة كيفية تفاعل المجموعة بدقة مع ظروف المياه المتغيرة، وقياس سرعتها، وتباعدها، واتجاهها الجماعي.

كشفت النتائج عن استراتيجية واضحة ومتسقة؛ فقد فضلت مجموعات الأسماك بشكل ساحق البقاء في الأجزاء الأبطأ من المياه. لقد تجنبت بنشاط المناطق عالية السرعة والمناطق المضطربة حيث تتغير سرعة المياه بسرعة من جانب إلى آخر. وعندما حلل الباحثون ظروف المياه التي استخدمتها الأسماك فعلياً مقارنة بالظروف المتاحة لها، كان التفضيل صارخاً: اختارت الأسماك مناطق ذات سرعات تدفق أقل، واضطراب أضعف، وحركة مياه أقل فوضوية. لم يكتفوا بمجرد الانجراف حيث تأخذهم المياه، بل اتخذوا خيارات مدروسة للبقاء في التيارات الأكثر هدوءاً وقابلية للتنبؤ. ويشير هذا التفضيل للمناطق ذات الحمل الهيدروديناميكي المنخفض إلى أن الأسماك تعمل على توفير الطاقة والبحث عن الاستقرار، متجنبة الإجهاد البدني الناتج عن محاربة المياه القوية والمضطربة.

ومع ذلك، كانت قصة كيفية تحرك الأسماك أكثر تعقيداً من مجرد الالتزام بالمسار البطيء. فقد لاحظ الباحثون مسارين متميزين سلكتهما المجموعات للوصول إلى أعلى المنبع. في أحد المسارات الشائعة، بقيت الأسماك قريبة من الجدار في المنطقة البطيئة لمعظم الرحلة، ولم تنتقل إلى المناطق الأسرع إلا في النهاية تماماً. كان هذا المسار فعالاً، وأكملت الأسماک العبور بسرعة نسبية. أما في المسار الثاني، فقد تركت الأسماك منطقة الأمان في المسار البطيء في وقت مبكر بكثير، وعبرت ذهاباً وإياباً بشكل متكرر بين المسارين المتوسط والبطيء. كان سلوك التعرج هذا أقل كفاءة بكثير؛ إذ استغرقت المجموعات وقتاً أطول بكثير للوصول إلى النهاية، وكان تحركها أقل تنظيماً. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أنه بينما تشترك جميع الأسماك في تفضيل المياه الهادئة، فإن الطريقة التي تنسق بها حركة مجموعاتها لتجاوز مناطق الانتقال تحدث فرقاً هائلاً في نجاحها.

وعندما كانت الأسماك تتحرك عبر هذه المناطق الانتقالية الصعبة، يتغير سلوكها الجماعي. ففي المياه الهادئة والبطيئة، كانت الأسماك تتحرك في سرب منظم للغاية وموحد، حيث تسبح جميعها في نفس الاتجاه مع محاذاة أجسامها. كان سلوك "التسيير في سرب" هذا هو النمط السائد للترحال. ولكن مع اقترابها من الحدود حيث تتغير سرعة المياه، كانت المجموعة غالباً ما تكسر هذا الاصطفاف المثالي؛ حيث كانت تنعطف بحدة أو تتشتت قليلاً، وهو سلوك حدده الباحثون على أنه "التفاف" أو "تجمهر". لم تكن لحظات عدم التنظيم هذه علامات على الارتباك، بل كانت تعديلات ضرورية. فعندما تتعرض أجزاء مختلفة من المجموعة لسرعات مياه مختلفة، يتعين على الأسماك إعادة تموضع نفسها باستمرار للبقاء معاً مع مواصلة التقدم نحو أعلى المنبع. وبمجرد عبورها الحدود المضطربة والعثور على تيار مستقر جديد، كانت تعود سريعاً لتشكيل سربها المتماسك والموحد.

كما كشفت الدراسة أيضاً عن علاقة رائعة بين مدى قرب الأسماك من بعضها البعض وظروف المياه التي تواجهها. لم تكن الأسماك تكتفي بالتجمع معاً عندما تصبح المياه هائجة، ولم تكن تنتشر بشكل متساوٍ أيضاً؛ بل وجدت "نقطة مثالية" للتباعد. فعندما كانت المياه هادئة بدرجة متوسطة، حافظت الأسماك على مسافة محددة من أقرب جيران لها، تتراوح تقريباً بين 0.2 و0.3 متر، وهو ما يتوافق مع أدنى مستويات إجهاد المياه. وإذا أصبحت المياه شديدة الاضطراب، فقد تتجمع الأسماك معاً للحفاظ على الاتصال، لكنها قد تنتشر أيضاً إذا أصبحت الاختلافات في سرعة المياه عبر المجموعة كبيرة جداً بحيث يصعب التحكم فيها. هذا الاستجابة غير الخطية تظهر أن الأسماك تعدل تشكيلها ديناميكياً لتحقيق التوازن بين الحاجة إلى تماسك المجموعة والواقع الفيزيائي للمياه من حولها.

ولعل النتيجة الأكثر إثارة للاهتمام تتعلق بسرعة سباحة الأسماك. فبينما كانت المجموعات تتحرك من المنطقة البطيئة إلى المناطق الأسرع، زادت سرعة سباحتها بشكل كبير. ففي المياه الأبطأ، كانت تسبح بمتوسط 0.458 متر في الثانية، ومع دخولها التيارات الأسرع، ارتفعت سرعتها إلى أكثر من 1.0 متر في الثانية، وفي المنطقة الأكثر شدة، وصلت إلى سرعة انفجارية قصوى بلغت 2.06 متر في الثانية. كانت هذه السرعة أعلى بكثير مما تم تسجيله لهذا النوع في أحواض مختبرية أصغر ومنتظمة. وقد لاحظ الباحثون أن الأسماك لم تقضِ سوى جزء ضئيل جداً من وقتها، أقل من 1%، في هذه المناطق عالية السرعة. وهذا يشير إلى أن الأسماك قادرة على القيام بدفقات قوية وقصيرة من السرعة لعبور القطع الصعبة من المياه، لكنها تعتمد على استمرارية ممرات السرعة المنخفضة لتوفير طاقتها من أجل الرحلة الطويلة.

تقدم هذه النتائج منظوراً جديداً حول كيفية تصميم مرافق عبور الأسماك. إذ تشير الأبحاث إلى أن مجرد توفير منطقة منخفضة السرعة ليس كافياً؛ بل يجب أن يضمن التصميم أن تكون هذه المناطق الهادئة متصلة في ممر مستمر. فإذا أجبر المسار الأسماك على الانتقال باستمرار بين المياه السريعة والبطيئة، أو إذا كانت أقسام السرعة العالية طويلة جداً، فستعاني الأسماك للحفاظ على هيكل مجموعتها وتستهلك الكثير من الطاقة. وتوضح الدراسة أن العبور الناجح يعتمد على الاستمرارية المكانية لظروف التدفق الملائمة والقدرة على الانتقال بسلاسة بين المناطق المختلفة دون كسر تنظيمها الجماعي. ومن خلال فهم أن مجموعات الأسماك ليست مجرد مجموعات من الأفراد بل وحدات منسقة تتفاعل مع التدفق ككل، يمكن للمهندسين إنشاء ممرات تتوافق مع السلوك الطبيعي للأسماك المهاجرة، مما يساعد في استعادة الروابط الحيوية في أنهارنا التي بنيت عليها السدود.