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

नदियाँ प्राकृतिक दुनिया की धमनियां हैं, जो परिदृश्य के माध्यम से पानी, पोषक तत्व और जीवन को ले जाती हैं। कई मछली प्रजातियों के लिए, यह प्रवाह केवल तैरने के लिए एक माध्यम नहीं है, बल्कि प्रवास के लिए एक महत्वपूर्ण राजमार्ग भी है, जो उन्हें प्रजनन के लिए विशिष्ट स्पॉनिंग स्थलों तक जाने की अनुमति देता है। हालाँकि, हजारों बांधों के निर्माण ने इन संबंधों को काट दिया है, जिससे मुक्त बहने वाली नदियाँ अलग-थलग पड़े कुंडों की एक श्रृंखला में बदल गई हैं। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर फिश पैसेज फैसिलिटी (मछली मार्ग सुविधाएँ) बनाते हैं, जो मूल रूप से पानी के नीचे की सीढ़ियाँ या चैनल होते हैं जिन्हें मछलियों को बाधाओं को पार करने में मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। फिर भी, ये संरचनाएं अक्सर विफल हो जाती हैं। समस्या हमेशा यह नहीं होती कि मछलियाँ प्रवेश द्वार नहीं ढूंढ पातीं, बल्कि यह होती है कि वे अंदर जाने के बाद जटिल, उथल-पुथल वाले पानी में रास्ता बनाने में असमर्थ होती हैं। जबकि हम जानते हैं कि व्यक्तिगत मछलियाँ अपनी लेटरल लाइन्स (पार्श्व रेखाओं) के माध्यम से पानी की गति और अशांति को महसूस कर सकती हैं—जो एक संवेदी प्रणाली है जो उनके शरीर के किनारों पर चलती है और गति एवं दबाव का पता लगाती है—हम लंबे समय से यह समझने में संघर्ष कर रहे हैं कि मछलियों के समूह ऐसे अराजक वातावरण में एक साथ कैसे चलते हैं। क्या वे एक साथ रहते हैं? क्या वे उथल-पुथल होने पर अपना गठन बदलते हैं? और पानी के प्रवाह का आकार ऊपर की ओर (upstream) तैरने की उनकी क्षमता को कैसे प्रभावित करता है?

सिचुआन विश्वविद्यालय और चाइना थ्री जॉर्जेस कॉर्पोरेशन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में एक चुनौतीपूर्ण नदी वातावरण बनाकर इन प्रश्नों का उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने एक बड़ा, ओपन-चैनल फ्लूम बनाया, जो एक लंबा टैंक है जिसे नदी की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और इसे इसकी चौड़ाई के पार विभिन्न गति से बहते पानी से भर दिया। एक समान धारा के बजाय, उन्होंने एक गैर-समान प्रवाह क्षेत्र बनाया जिसमें तीन विशिष्ट क्षेत्र थे: एक धीमी लेन, एक मध्यम लेन और एक तेज़ लेन, जो उन स्थानों द्वारा अलग किए गए थे जहाँ पानी की गति अचानक बदल जाती थी। इस प्रणाली में, उन्होंने दस शिज़ोथोरैक्स प्रेनाटी (Schizothorax prenanti), जो इस क्षेत्र की एक स्थानीय मछली प्रजाति है और प्रजनन के लिए ऊपर की ओर प्रवास करती है, को छोड़ा। ऊपर से मछलियों की फिल्मिंग करके और हाई-स्पीड कैमरों के साथ उनकी गतिविधियों को ट्रैक करके, शोधकर्ता सटीक रूप से देख सके कि समूह ने बदलते पानी की स्थितियों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी, उन्होंने अपनी गति, अपनी दूरी और अपनी सामूहिक दिशा को मापा।

परिणामों ने एक स्पष्ट और सुसंगत रणनीति का खुलासा किया। मछलियों के समूहों ने अत्यधिक रूप से पानी के सबसे धीमे हिस्सों में रहने को प्राथमिकता दी। उन्होंने उच्च-गति वाले क्षेत्रों और उन अशांत क्षेत्रों से सक्रिय रूप से परहेज किया जहाँ पानी की गति एक तरफ से दूसरी तरफ तेजी से बदल रही थी। जब शोधकर्ताओं ने वास्तव में उपयोग किए गए पानी की स्थितियों का उपलब्ध स्थितियों के साथ विश्लेषण किया, तो प्राथमिकता स्पष्ट थी: मछलियों ने कम प्रवाह गति, कम अशांति और कम अराजक जल गति वाले क्षेत्रों को चुना। वे केवल वहीं नहीं बहीं जहाँ पानी उन्हें ले जा रहा था; उन्होंने शांत, अधिक अनुमानित धाराओं में रहने के लिए जानबूझकर चुनाव किया। कम-हाइड्रोडायनामिक-लोड वाले क्षेत्रों के लिए यह प्राथमिकता बताती है कि मछलियाँ ऊर्जा बचा रही हैं और स्थिरता की तलाश कर रही हैं, और शक्तिशाली, उथल-पुथल वाले पानी के विरुद्ध लड़ने के शारीरिक तनाव से बच रही हैं।

हालाँकि, मछलियाँ कैसे आगे बढ़ीं, इसकी कहानी केवल धीमी लेन के पास रहने से कहीं अधिक जटिल थी। शोधकर्ताओं ने देखा कि समूहों ने ऊपर की ओर जाने के लिए दो अलग-अलग मार्ग अपनाए। एक सामान्य मार्ग में, मछलियाँ यात्रा के अधिकांश भाग के लिए धीमी ज़ोन में दीवार के करीब रहीं, और केवल अंत में तेज़ ज़ोन में गईं। यह मार्ग कुशल था, और मछलियों ने अपेक्षाकृत जल्दी मार्ग पूरा किया। दूसरे मार्ग में, मछलियाँ बहुत पहले ही धीमी ज़ोन की सुरक्षा छोड़कर, बार-बार धीमी और मध्यम-गति वाली लेन के बीच इधर-उधर जाने लगीं। यह ज़िगज़ैग व्यवहार बहुत कम कुशल था; समूहों को अंत तक पहुँचने में काफी अधिक समय लगा, और उनकी गति कम व्यवस्थित थी। यह निष्कर्ष रेखांकित करता है कि हालांकि सभी मछलियों में शांत पानी के प्रति प्राथमिकता थी, लेकिन संक्रमण क्षेत्रों (transition zones) को पार करने के लिए उन्होंने अपने समूह की गति को कैसे समन्वित किया, इससे उनकी सफलता में बड़ा अंतर आया।

जब मछलियाँ इन कठिन संक्रमण क्षेत्रों से गुजरीं, तो उनका समूह व्यवहार बदल गया। शांत, धीमी गति वाले पानी में, मछलियाँ एक अत्यधिक संगठित, एकीकृत स्कूल (झुंड) में चलीं, जहाँ सभी एक ही दिशा में अपने शरीर को संरेखित करते हुए तैर रही थीं। यह "स्कूलिंग" व्यवहार यात्रा का प्रमुख मोड था। लेकिन जैसे ही वे उन सीमाओं के पास पहुँचीं जहाँ पानी की गति बदल रही थी, समूह अक्सर इस पूर्ण संरेखण को तोड़ देता था। वे तेजी से मुड़ जाते थे या थोड़ा बिखर जाते थे, एक ऐसा व्यवहार जिसे शोधकर्ताओं ने "टर्निंग" (मुड़ना) या "स्वार्मिंग" (झुंड बनाना) के रूप में पहचाना। ये अव्यवस्था के क्षण भ्रम के संकेत नहीं थे, बल्कि आवश्यक समायोजन थे। जब समूह के विभिन्न हिस्सों ने अलग-अलग पानी की गति का अनुभव किया, तो मछलियों को प्रगति करने के साथ-साथ एक साथ रहने के लिए खुद को लगातार पुनर्गठित करना पड़ा। एक बार जब उन्होंने अशांत सीमा को पार कर लिया और एक नया स्थिर प्रवाह पा लिया, तो वे तुरंत अपने घने, एकीकृत स्कूल में वापस आ गईं।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मछलियाँ एक-दूसरे के कितने करीब रहती हैं और उनके सामने पानी की क्या स्थितियाँ होती हैं, इसके बीच एक दिलचस्प संबंध है। मछलियाँ केवल उथल-पुथल होने पर एक साथ नहीं सिमट जातीं, न ही वे समान रूप से फैल जाती थीं। इसके बजाय, उन्होंने एक "स्वीट स्पॉट" (उपयुक्त दूरी) खोज ली। जब पानी मध्यम रूप से शांत था, तो मछलियों ने अपने निकटतम पड़ोसी से लगभग 0.2 और 0.3 मीटर की एक विशिष्ट दूरी बनाए रखी, जो पानी के निम्नतम स्तर के तनाव के अनुरूप थी। यदि पानी बहुत अधिक अशांत हो जाता, तो मछलियाँ संपर्क बनाए रखने के लिए कभी-कभी एक साथ सिमट जातीं, लेकिन वे कभी-कभी तब भी फैल जाती थीं जब समूह में पानी की गति के बीच का अंतर प्रबंधित करने योग्य सीमा से अधिक हो जाता था। यह गैर-रैखिक प्रतिक्रिया दर्शाती है कि मछलियाँ समूह की एकजुटता और अपने आसपास के पानी की भौतिक वास्तविकता के बीच संतुलन बनाने के लिए अपने गठन को गतिशील रूप से समायोजित कर रही हैं।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्ष मछली की तैरने की गति से संबंधित था। जैसे-जैसे समूहों ने धीमी ज़ोन से तेज़ ज़ोन में प्रवेश किया, उनकी तैरने की गति नाटकीय रूप रूप से बढ़ गई। सबसे धीमी गति वाले पानी में, वे 0.458 मीटर प्रति सेकंड की औसत गति से तैरीं। जैसे ही वे तेज़ धाराओं में प्रविष्ट हुईं, उनकी गति बढ़कर 1.0 मीटर प्रति सेकंड से अधिक हो गई, और सबसे तीव्र ज़ोन में, उन्होंने 2.06 मीटर प्रति सेकंड की अधिकतम बर्स्ट स्पीड (तीव्र गति) प्राप्त की। यह उस प्रजाति के लिए दर्ज की गई छोटी, समान प्रयोगशाला टैंकों की तुलना में काफी अधिक था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि मछलियाँ इन उच्च-गति वाले क्षेत्रों में अपना बहुत कम समय, एक प्रतिशत से भी कम, बिताती हैं। यह सुझाव देता है कि मछलियाँ कठिन पैच को पार करने के लिए गति के शक्तिशाली, छोटे विस्फोट करने में सक्षम हैं, लेकिन वे लंबी यात्रा के लिए अपनी ऊर्जा बचाने हेतु कम-गति वाले गलियारों की निरंतरता पर निर्भर करती हैं।

ये निष्कर्ष फिश पैसेज फैसिलिटी के डिजाइन के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। शोध बताता है कि केवल एक कम-गति वाला क्षेत्र प्रदान करना पर्याप्त नहीं है; डिजाइन को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि ये शांत क्षेत्र एक निरंतर गलियारे के रूप में जुड़े हों। यदि मार्ग उन्हें लगातार तेज़ और धीमी गति के पानी के बीच जाने के लिए मजबूर करता है, या यदि उच्च-गति वाले खंड बहुत लंबे हैं, तो मछलियों को अपने समूह की संरचना बनाए रखने में संघर्ष करना पड़ेगा और बहुत अधिक ऊर्जा खर्च करनी पड़ेगी। अध्ययन इंगित करता है कि सफल पारगमन (passage) अनुकूल प्रवाह स्थितियों की स्थानिक निरंतरता और विभिन्न ज़ोन के बीच बिना अपने सामूहिक संगठन को तोड़े सुचारू रूप से संक्रमण करने की क्षमता पर निर्भर करता है। यह समझते हुए कि मछलियों के समूह केवल व्यक्तियों का संग्रह नहीं हैं बल्कि समन्वित इकाइयाँ हैं जो पूरे प्रवाह के प्रति एक इकाई के रूप में प्रतिक्रिया करती हैं, इंजीनियर ऐसे मार्ग बना सकते हैं जो प्रवासी मछलियों के प्राकृतिक व्यवहार के अनुरूप हों, जिससे हमारे बांधों वाली नदियों में महत्वपूर्ण संबंधों को बहाल करने में मदद मिल सके।