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

Flüsse sind die Arterien der natürlichen Welt; sie transportieren Wasser, Nährstoffe und Leben durch die Landschaft. Für viele Fischarten ist diese Strömung nicht nur ein Medium, durch das sie schwimmen können, sondern eine lebenswichtige Autobahn für die Wanderung, die es ihnen ermöglicht, von ihren Futtergründen zu spezifischen Laichplätzen zu gelangen, um sich fortzupflanzen. Doch der Bau von tausenden Dämmen hat diese Verbindungen unterbrochen und die frei fließenden Flüsse in eine Abfolge isolierter Becken verwandelt. Um dies zu beheben, bauen Ingenieure Fischpassagen – im Wesentlichen Unterwasserleitern oder Kanäle, die darauf ausgelegt sind, Fischen zu helfen, Hindernisse zu umgehen. Doch diese Strukturen scheitern oft. Das Problem liegt nicht immer darin, dass die Fische den Eingang nicht finden können, sondern dass sie die komplexen, aufgewühlten Wasserverhältnisse im Inneren nicht navigieren können. Während wir wissen, dass einzelne Fische die Wassergeschwindigkeit und Turbulenz mit ihrer Seitenlinie wahrnehmen können – einem Sensorsystem, das entlang ihrer Körper verläuft und Bewegungen sowie Druck registriert –, haben wir lange Zeit damit gerungen zu verstehen, wie Fischgruppen gemeinsam durch diese chaotischen Umgebungen ziehen. Bleiben sie zusammen? Ändern sie ihre Formation, wenn das Wasser unruhig wird? Und wie beeinflusst die Form der Wasserströmung ihre Fähigkeit, gegen die Strömung anzuschwimmen?

Ein Team von Forschern der Sichuan University und der China Three Gorges Corporation machte sich daran, diese Fragen zu beantworten, indem sie in einer kontrollierten Laborumgebung eine herausfordernde Flussumgebung nachbauten. Sie bauten einen großen, offenen Gerinnekanal, ein langes Becken, das einen Fluss nachahmt, und füllten ihn mit Wasser, das über seine Breite mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten floss. Anstatt einer gleichmäßigen Strömung schufen sie ein nicht-uniformes Strömungsfeld mit drei deutlich unterscheidbaren Zonen: einer langsamen Spur, einer mittleren Spur und einer schnellen Spur, die durch scharfe Übergänge getrennt waren, an denen sich die Wassergeschwindigkeit abrupt änderte. In dieses System setzten sie Gruppen von zehn Schizothorax prenanti aus, einer in dieser Region heimischen Fischart, die zur Fortpflanzung flussaufwärts wandert. Indem die Forscher die Fische von oben filmten und ihre Bewegungen mit Hochgeschwindigkeitskameras verfolgten, konnten sie genau beobachten, wie die Gruppe auf die wechselnden Wasserbedingungen reagierte, wobei sie deren Geschwindigkeit, ihren Abstand und ihre kollektive Richtung maßen.

Die Ergebnisse zeigten eine klare und konsistente Strategie. Die Fischgruppen bevorzugten überwältigend die langsamsten Teile des Wassers. Sie mieden aktiv die Hochgeschwindigkeitszonen und die turbulenten Bereiche, in denen die Wassergeschwindigkeit von einer Seite zur anderen schnell wechselte. Als die Forscher die Wasserbedingungen analysierten, die die Fische tatsächlich nutzten, im Vergleich zu den verfügbaren Bedingungen, war die Präferenz eklatant: Die Fische wählten Bereiche mit geringeren Fließgeschwindigkeiten, schwächerer Turbulenz und weniger chaotischen Wasserbewegungen. Sie trieben nicht einfach dorthin, wo das Wasser sie hinführte; sie trafen bewusste Entscheidungen, um in den ruhigeren, berechenbareren Strömungen zu bleiben. Diese Bevorzugung von Bereichen mit geringer hydrodynamischer Belastung deutet darauf hin, dass die Fische Energie sparen und Stabilität suchen, indem sie den physischen Stress vermeiden, gegen mächtiges, aufgewühltes Wasser anzukämpfen.

Die Geschichte darüber, wie sich die Fische bewegten, war jedoch komplexer als nur das bloße Folgen der langsamen Spur. Die Forscher beobachteten zwei unterschiedliche Routen, die die Gruppen nahmen, um flussaufwärts zu gelangen. Auf einem häufig genutzten Weg blieben die Fische für den Großteil der Reise nahe der Wand in der langsamen Zone und bewegten sich erst gegen Ende in die schnelleren Zonen. Dieser Pfad war effizient, und die Fische absolvierten die Passage relativ schnell. Auf dem zweiten Weg verließen die Fische die Sicherheit der langsamen Zone viel früher und wechselten wiederholt zwischen der langsamen und der mittleren Geschwindigkeitsspur hin und her. Dieses Zickzack-Verhalten war weitaus weniger effizient; die Gruppen benötigten signifikant länger, um das Ende zu erreichen, und ihre Bewegung war weniger organisiert. Dieser Befund verdeutlicht, dass es zwar alle Fische bevorzugten, ruhiges Wasser zu haben, die Art und Weise, wie sie ihre Gruppenbewegung koordinierten, um die Übergangszonen zu navigieren, jedoch einen gewaltigen Unterschied für ihren Erfolg machte.

Wenn die Fische diese schwierigen Übergangszonen durchquerten, änderte sich ihr Gruppenverhalten. Im ruhigen, langsamen Wasser bewegten sich die Fische in einem hoch organisierten, einheitlichen Schwarm, wobei alle in dieselbe Richtung schwammen und ihre Körper parallel ausrichteten. Dieses „Schwarmverhalten“ war der dominante Bewegungsmodus. Doch sobald sie sich den Grenzen näherten, an denen sich die Wassergeschwindigkeit änderte, brachen die Gruppen oft diese perfekte Ausrichtung auf. Sie drehten scharf ab oder zerstreuten sich leicht – ein Verhalten, das die Forscher als „Wenden“ oder „Sammeln“ (Swarming) identifizierten. Diese Momente der Desorganisation waren keine Zeichen von Verwirrung, sondern notwendige Anpassungen. Wenn verschiedene Teile der Gruppe unterschiedliche Wassergeschwindigkeiten erfuhren, mussten die Fische sich ständig neu positionieren, um zusammenzubleiben und dennoch Fortschritte flussaufwärts zu machen. Sob es die turbulente Grenze überquert hatten und eine neue stabile Strömung fanden, formten sie sich schnell wieder zu ihrem engen, einheitlichen Schwarm zusammen.

Die Studie deckte auch eine faszinierende Beziehung zwischen der Nähe der Fische zueinander und den Wasserbedingungen auf, denen sie ausgesetzt waren. Die Fische drängten sich nicht einfach zusammen, wenn das Wasser unruhig wurde, noch verteilten sie sich gleichmäßig. Stattdessen fanden sie einen „Sweet Spot“ des Abstands. Wenn das Wasser mäßig ruhig war, hielten die Fische einen spezifischen Abstand zu ihrem nächsten Nachbarn von etwa 0, 02 bis 0,3 Metern ein, was den niedrigsten Ebenen des Wasserstresses entsprach. Wenn das Wasser sehr turbulent wurde, drängten sich die Fische manchmal enger zusammen, um den Kontakt zu halten, aber sie verteilten sich manchmal auch, wenn die Unterschiede in der Wassergeschwindigkeit innerhalb der Gruppe zu groß wurden, um bewältigt werden zu können. Diese nicht-lineare Reaktion zeigt, dass die Fische ihre Formation dynamisch anpassen, um das Gleichgewicht zwischen Gruppenkohäsion und der physischen Realität des umgebenden Wassers zu finden.

Vielleicht war der auffälligste Befund die Schwimmgeschwindigkeit der Fische. Als die Gruppen von der langsamen Zone in die schnelleren Zonen übergingen, nahm ihre Schwimmgeschwindigkeit dramatisch zu. Im langsamsten Wasser schwammen sie mit durchschnittlich 0,458 Metern pro Sekunde. Als sie in die schnelleren Strömungen gelangten, stieg ihre Geschwindigkeit auf über 1,0 Meter pro Sekunde, und in der intensivsten Zone erreichten sie eine maximale Sprintgeschwindigkeit von 2,06 Metern pro Sekunde. Dies war signifikant schneller als die Werte, die für diese Art in kleineren, gleichmäßigen Labortanks aufgezeichnet wurden. Die Forscher stellten fest, dass die Fische nur einen winzigen Bruchteil ihrer Zeit, weniger als ein Prozent, in diesen Hochgeschwindigkeitszonen verbrachten. Dies deutet darauf ab, dass die Fische zu kraftvollen, kurzen Sprints fähig sind, um schwierige Wasserpartien zu überqueren, sich aber darauf verlassen, die Kontinuität von Niedriggeschwindigkeitskorridoren zu nutzen, um ihre Energie für die lange Reise zu sparen.

Diese Erkenntnisse bieten eine neue Perspektung für die Gestaltung von Fischpassagen. Die Forschung legt nahe, dass es nicht ausreicht, lediglich einen Bereich mit niedriger Geschwindigkeit bereitzustellen; das Design muss sicherstellen, dass diese ruhigen Bereiche als kontinuierlicher Korridor verbunden sind. Wenn der Pfad die Fische dazu zwingt, ständig zwischen schnellem und langsamem Wasser zu wechseln, oder wenn die Hochgeschwindigkeitsabschnitte zu lang sind, werden die Fische Schwierigkeiten haben, ihre Gruppenstruktur aufrechtzuerhalten und zu viel Energie aufzuwenden. Die Studie zeigt, dass ein erfolgreicher Durchgang von der räumlichen Kontinuität günstiger Strömungsverhältnisse und der Fähigkeit abhängt, reibungslos zwischen verschiedenen Zonen zu wechseln, ohne die kollektive Organisation zu verlieren. Durch das Verständnis, dass Fischgruppen nicht bloß Sammlungen von Individuen sind, sondern koordinierte Einheiten, die als Ganzes auf die Strömung reagieren, können Ingenieure Passagen entwickeln, die den natürlichen Verhaltensweisen wandernder Fische entsprechen und so helfen, die lebenswichtigen Verbindungen in unseren gestauten Flüssen wiederherzustellen.