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

川は自然界の動脈であり、水、栄養分、そして生命を景観全体に運び去る役割を果たしています。多くの魚類にとって、この流れは単に泳ぐための媒体ではなく、摂餌場から繁殖のための特定の産卵地へと移動するための不可欠なハイウェイなのです。しかし、数千ものダムの建設によってこれらの接続は断たれ、自由自在に流れる河川は一連の孤立した池へと変貌してしまいました。これを解決するために、技術者たちはフィッシュ・パッセージ施設（いわゆる「魚道」）を構築します。これは本質的には、魚が障壁を回避するのを助けるために設計された、水中のはしごやチャネルのようなものです。しかし、これらの構造物はしばしば失敗に終わります。問題は必ずしも魚が入り口を見つけられないことではなく、一度中に入ると複雑で荒れ狂う水をナビゲートできないことにあります。個々の魚が側線（動きや圧力を感知する体の側面にある感覚系）を用いて水の速度や乱れを感じ取れることは知られていますが、私たちは長らく、魚の群れがいかにして混沌とした環境の中を共に移動しているのかを理解することに苦心してきました。彼らは集団としてまとまっているのでしょうか？ 水の状態が悪くなると隊列を変えるのでしょうか？ そして、水の流れの形状は、彼らの遡上能力にどのように影響を与えるのでしょうか？

四川大学と中国三峡グループの研究チームは、制御された実験室の設定の中で困難な河川環境を再現することにより、これらの問いに答えるべく取り組みました。彼らは大規模な開渠式流路（川を模倣するように設計された長いタンク）を製作し、その幅方向に異なる速度で流れる水を満たしました。均一な流れを作るのではなく、スローレーン、ミディアムレーン、ファストレーンの3つの明確なゾーンに分けられた非一様な流速場を作り出し、それらを急激な速度変化が生じる境界線で隔てました。このシステムの中に、研究チームは地域固有種であるシゾサラックス・プレナンティ（Schizothorax prenanti）の10匹の群れを放流しました。高速度カメラを用いて上方から魚を撮影することで、研究者はグループが変化する水条件に対してどのように反応するかを観察し、その速度、間隔、および集合的な方向を測定することができました。

結果は、明快かつ一貫した戦略を明らかにしました。魚のグループは圧倒的に、最も水の流れが遅い部分にとどまることを好みました。彼らは高速ゾーンや、片側から他方へ水速が急速に変化する乱流領域を積極的に回避していました。研究者が実際に魚が利用した水条件と、利用可能であった水条件を比較分析したところ、その嗜好性は顕著でした。魚はより低い流速、弱い乱れ、そしてより穏やかで予測可能な流れを持つエリアを選択していたのです。彼らはただ水に流されるままに漂っていたのではなく、より穏やかで予測しやすい流れにとどまるよう意図的な選択を行っていました。このような低流体力学的負荷への選好は、魚たちがエネルギーを節約し、強力で荒れ狂う水との戦いによる物理的ストレスを避けていることを示唆しています。

しかし、魚たちの移動の物語は、単にスローレーンに沿って進むという単純なものではありませんでした。研究者は、グループが行った2つの明確なルートを観察しました。一つの一般的なルートでは、魚は旅の大部分においてスローゾーン内の壁の近くにとどまり、終盤になってようやく高速ゾーンへと移動しました。この経路は効率的であり、魚は比較的短時間で通過を完了しました。二つ目のルートでは、魚はもっと早い段階で安全なスローゾーンを離れ、スローレーンとミディアムレーンの間を何度も行き来するというジグザグ走行を行いました。この行動は極めて非効率的であり、グループが終点に到達するまでに大幅に時間を要し、その動きも組織性を欠いていました。この発見は、すべての魚が穏やかな水を好んでいる一方で、遷移帯を航行するためのグループとしての調整方法が、成功に多大な影響を与えることを浮きましています。

魚がこれらの困難な遷移帯を通過するとき、彼らの集団行動には変化が見られました。穏やかで遅い水の中では、魚は高度に組織化され、全員が同じ方向に体を揃えて泳ぐ統一されたスクール（学校）として移動していました。この「スクーリング」行動が主要な移動形態でした。しかし、水速が変わる境界線に近づくと、グループはこの完璧な整列を崩すことがよくありました。彼らは鋭く旋回したり、わずかに散開したりしましたが、これらは混乱の兆候ではなく、「ターン（転換）」または「スウォーミング（群れ形成）」と呼ばれる必要な調整プロセスであることが研究者によって特定されました。グループの異なる部位が異なる水速を経験すると、進行しながらも集団としての結束を維持するために、絶えず位置を再調整する必要があるのです。一旦、乱流の境界線を越えて新しい安定した流れを見つけると、彼らはすぐに再び緊密で統一されたスクールを形成しました。

また、今回の研究では、魚同士の距離感と直面している水条件との間の興味深い関係についても明らかになりました。魚は水が荒れたときに単に寄り添ったり、あるいは均等に広がったりするわけではありませんでした。代わりに、彼らはある種の「スイートスポット（最適値）」となる間隔を見出していました。水が適度に穏やかなとき、魚は隣接する個体との間におよそ0.2メートルから0.3メートルの一定の間隔を保っており、これが水によるストレスが最も低いレベルに対応していました。非常に激しい乱流が発生した場合、接触を維持するために互いに密集することもあれば、グループ間で水速の差が大きくなりすぎた場合には逆に拡散する場合もありました。このような非線形な応答は、魚が周囲の水という物理的事実と、集団としての結合力の必要性とのバランスを取るために、ダイナミックに陣形を調整していることを示しています。

おそらく最も衝撃的な発見は、魚の遊泳速度に関するものでした。グループがスローゾーンから高速ゾーンへと移動するにつれて、彼らの遊泳速度は劇的に上昇しました。最も遅い水域での平均速度は毎秒0.458メートルでしたが、高速な流れに入ると時速1.0メートルを超え、最も激しいゾーンでは最大バースト速度である毎秒2.06メートルに達しました。これは、より小規模で均質なラボ用水槽内で記録されている同種の速度よりも大幅に速い数値です。研究者は、魚が高速ゾーンで過ごした時間は全体の1パーセント未満であることを指摘しました。このことは、魚が困難な区間を突破するために強力な瞬間的加速を行う能力を持っているものの、長期的な旅のためにエネルギーを温存しようとして、連続的な低速廊下（コリドー）に依存していることを示唆しています。

これらの知見は、魚道の設計に対する新たな視点を提供します。研究によれば、単に低速エリアを用意するだけでは不十分であり、その設計においては、これらの穏やかなエリアが連続した通路としてつながっていることを保証しなければなりません。もし経路が強制的に高速域と低速域の間を行き来させるような構成であったり、高速セクションがあまりにも長く設定されていたりすれば、魚は集団構造を維持することが困難になり、過剰なエネルギーを消費してしまうことになります。本研究は、魚類の通行の成否は、好ましい流量条件の空間的な連続性と、集団としての組織を崩すことなく異なるゾーン間をスムーズに移行できる能力にかかっていることを示しています。魚のグループとは単なる個体の集合体ではなく、流れに対して一体となって反応する協調的なユニットであるという事実を理解することで、エンジニアは渡り鳥ならぬ回遊魚の自然な行動に即した施設を創出し、ダム湖となった河川における重要な接続を回復させることができるのです。