From agent-based dynamics to a kinetic theory of jellyfish swarms

महासागर शायद ही कभी खाली होता है, भले ही वह देखने में ऐसा लगे। समुद्र के कई हिस्सों में, जीवन केवल बहता नहीं है; वह इकट्ठा होता है। जेलीफ़िश के विशाल बादल दस किलोमीटर तक फैले हो सकते हैं, जिनमें लाखों जीव एक एकल, बदलते हुए अस्तित्व के रूप में चलते हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने इन झुंडों को निष्क्रिय रूप से बहने वाले जीवों के रूप में देखा, जो हवा और लहरों के साथ एक धारा में बहने वाली पत्तियों की तरह बहते हैं। इस दृष्टिकोण ने सुझाव दिया कि यदि आप जानते हैं कि समुद्री धाराएं कैसे चलती हैं, तो आप भविष्यवाणी कर सकते हैं कि जेलीफ़िश कहाँ पहुँचेगी। हालाँकि, हाल के अवलोकनों ने इस सरल चित्र को चुनौती दी है। कुछ प्रजातियाँ, जैसे कि भूमध्य सागर में पाए जाने वाले खानाबदोश जेलीफ़िश, केवल तैर नहीं रहे हैं; वे शक्तिशाली तैराक हैं। वे धारा के विरुद्ध सक्रिय रूप से धक्का देते हैं, अक्सर पानी के प्रवाह की विपरीत दिशा में चलते हैं। धारा के विरुद्ध तैरने की यह क्षमता, जिसे 'पॉजिटिव रियोटैक्सिस' (positive rheotaxis) कहा जाता है, यह संकेत देती है कि जेलीफ़िश निर्णय ले रही हैं, अपने वातावरण में अदृश्य संकेतों पर प्रतिक्रिया दे रही हैं, और शायद एक-दूसरे के साथ संवाद कर रही हैं। इन जीवों के चलने के तरीके को समझना केवल जैविक जिज्ञासा का विषय नहीं है; यह भविष्यवाणी करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है कि ये विशाल झुंड कब और कहाँ बनेंगे, जो तटीय पारिस्थितिकी तंत्र, मत्स्य पालन और पर्यटन को प्रभावित कर सकता है।

तेल अवीव विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया गणितीय ढांचा तैयार करके इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो एक अकेले जेलीफ़िश के व्यवहार को पूरे झुंड की गति से जोड़ता है। उनका कार्य प्रत्येक व्यक्तिगत जीव को ट्रैक करने के बजाय—एक ऐसी विधि जो लाखों जीवों के मामले में असंभव हो जाती है—झुंड को एक निरंतर तरल पदार्थ (कंटीन्यूअस फ्लूइड) के रूप में देखता है। उन्होंने एक ऐसे मॉडल से शुरुआत की जो बताता है कि एक अकेला जेलीफ़िश अपने परिवेश के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है: वह उस गति से तैरता है जो धारा के साथ बदलती है, वह विक्षोभ (टर्बुलेंस) या अपनी अनिश्चितता के कारण बेतरतीब ढंग से मुड़ता है, और वह अनुकूल परिस्थितियों की ओर खुद को निर्देशित करता है। ये अनुकूल परिस्थितियाँ इसमें शामिल हो सकती हैं जैसे धारा के विरुद्ध तैरना, अशांत पानी वाले क्षेत्रों से बचना, या अन्य जेलीफ़िश द्वारा छोड़े गए रासायनिक संकेत का पीछा करना। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि जबकि ये व्यक्तिगत क्रियाएं तेजी से होती हैं, झुंड की समग्र गति बहुत धीमी गति से विकसित होती है, जो बड़े पैमाने की समुद्री धाराओं द्वारा संचालित होती है।

इन तीव्र व्यक्तिगत प्रतिक्रियाओं को समूह की धीमी गति से अलग करके, टीम ने समीकरणों का एक सेट प्राप्त किया जो हर एक जेलीफ़िश का अनुकरण (सिमुलेशन) किए बिना झुंड के घनत्व और दिशा का वर्णन करते हैं। यह दृष्टिकोण, जिसे 'काइनेटिक थ्योरी' (kinetic theory) कहा जाता है, उन्हें यह गणना करने की अनुमति देता है कि झुंड समय के साथ कैसे फैलेगा, केंद्रित होगा या बिखरेगा। उनके कार्य का एक प्रमुख निष्कर्ष यह है कि झुंड का व्यवहार केवल समुद्र द्वारा उन्हें धकेले जाने का परिणाम नहीं है। इसके बजाय, जेलीफ़िश सक्रिय रूप से अपने वितरण को स्वयं आकार देती हैं। जब वे धारा के विरुद्ध तैरती हैं या रासायनिक निशान का पीछा करती हैं, तो वे घने पैच बना सकती हैं जो कमजोर धाराओं में भी बने रहते हैं। शोधकर्ताओं ने एक रासायनिक संकेतन तंत्र को भी शामिल किया, यह सुझाव देते हुए कि जेलीफ़िश पानी में एक पदार्थ छोड़ती हैं जो दूसरों को आकर्षित करता है, जिससे एक फीडबैक लूप बनता है जो झुंड को एक साथ रहने में मदद करता है। यह रासायनिक संकेत कोई स्थायी निशान नहीं है; यह फैलता और क्षय होता है, जिसका अर्थ है कि झुंड को सक्रिय तैराकी और संवेदन के माध्यम से निरंतर अपने सामंजस्य को नवीनीकृत करना पड़ता है।

यह शोध पत्र इस विचार को स्पष्ट रूप से खारिज करता है कि ये झुंड केवल 'पैसिव एडवेक्शन' (passive advection) द्वारा बनते हैं, जहाँ समुद्र केवल बहने वाले जीवों को केंद्रित करता है। लेखक तर्क देते हैं कि जेलीफ़िश की धारा के विरुद्ध तैरने और पर्यावरणीय संकेतों पर प्रतिक्रिया करने की सक्रिय क्षमता के बिना, वास्तविक दुनिया में देखे जाने वाले बड़े, सुसंगत ढांचे संभव नहीं होते। वे यह भी स्पष्ट करते हैं कि हालांकि जेलीफ़िश आपस में टकराती हैं, लेकिन ये टकराव ज्यादातर निष्क्रिय टक्करें हैं जो झुंड के संगठन को संचालित नहीं करती हैं; बल्कि, संगठन इस बात से आता है कि प्रत्येक जेलीफ़िश पानी और रासायनिक संकेतों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। मॉडल बताता है कि एक विशिष्ट दिशा में तैरने के उनके प्रयास और टक्करों या विक्षोभ के यादृच्छिक झटकों के बीच का संतुलन यह निर्धारित करता है कि झुंड कितना सघन रूप से पैक है। यदि एक साथ तैरने का प्रयास प्रबल है, तो झुंड एक सघन, निर्देशित समूह बन जाता है; यदि यादृच्छिक गतिविधियाँ हावी होती हैं, तो झुंड बिखर जाता है।

यह नया ढांचा समुद्र विज्ञानियों के लिए एक व्यावहारिक उपकरण प्रदान करता है। क्योंकि समीकरण बड़े पैमाने की गति पर ध्यान केंद्रित करने के लिए सरल बनाए गए हैं, उन्हें समुद्री धाराओं का अनुकरण करने वाले मौजूदा कंप्यूटर मॉडलों में डाला जा सकता है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, वैज्ञानिक मौसम के पूर्वानुमान की तरह, जेलीफ़िश के झुंडों के निर्माण की अधिक सटीकता के साथ भविष्यवाणी कर सकते हैं। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनका मॉडल कई धारणाओं पर निर्भर है जिन्हें अभी भी वास्तविक दुनिया के डेटा के विरुद्ध परीक्षण करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, जेलीफ़िश द्वारा उपयोग किया जाने वाला सटीक रासायनिक संकेत अभी भी काल्पनिक है, और विभिन्न उद्दीपनों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया की सटीक शक्ति को नियंत्रित प्रयोगों में मापने की आवश्यकता है। टीम एक भविष्य का रोडमैप प्रस्तावित करती है, जिसमें जंगली क्षेत्रों में झुंडों को ट्रैक करने के लिए ड्रोन का उपयोग करना और टैंक प्रयोग करना शामिल है ताकि यह देखा जा सके कि जेलीफ़िश विशिष्ट धाराओं और रसायनों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। इन अवलोकनों को अपने गणितीय मॉडल के साथ जोड़कर, वे मापदंडों को परिष्कृत करने और अंततः इन विशाल जैविक घटनाओं की भविष्यवाणी करने के लिए एक विश्वसनीय प्रणाली बनाने की आशा करते हैं।

यह कार्य व्यक्तिगत पशु व्यवहार के सूक्ष्म जगत और महासागरीय गतिशीलता के स्थूल जगत के बीच एक सेतु का प्रतिनिधित्व करता है। यह जेलीफ़िश के दृष्टिकोण को समुद्र की गति के निष्क्रिय शिकार से बदलकर उन सक्रिय प्रतिभागियों में बदल देता है जो अपने भाग्य को स्वयं आकार देते हैं। हालांकि मॉडल वर्तमान में एक सैद्धांतिक संरचना है, यह एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि जेलीफ़िश के झुंड का रहस्य केवल इस बारे में नहीं है कि पानी कहाँ जाता है, बल्कि इस बारे में है कि जेलीफ़िश कहाँ जाने का निर्णय लेती है। इसे समझकर, वैज्ञानिक समुद्र को केवल एक तरल पदार्थ के रूप में नहीं, बल्कि एक जटिल वातावरण के रूप में देखना शुरू कर सकते हैं जहाँ जीवन सक्रिय रूप से नेविगेट करता है, संवाद करता है और एक बड़े पैमाने पर खुद को व्यवस्थित करता है।