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

강은 자연계의 동맥이며, 경관을 가로질러 물, 영양분, 그리고 생명을 실어 나릅니다. 많은 어류에게 이 흐름은 단순히 헤엄쳐 지나가는 매질이 아니라, 번식을 위해 먹이 활동 구역에서 특정 산란지로 이동할 수 있게 해주는 필수적인 고속도로입니다. 그러나 수천 개의 댐 건설은 이러한 연결을 끊어 놓았고, 자유롭게 흐르는 강을 일련의 고립된 웅덩이로 바꾸어 놓았습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 물고기가 장벽을 우회하도록 돕기 위해 설계된 일종의 수중 사다리나 채널인 어도(fish passage facilities)를 건설합니다. 하지만 이러한 구조물들은 종종 실패하곤 합니다. 문제는 항상 물고기가 입구를 찾지 못하는 것이 아니라, 일단 내부로 들어오면 복잡하고 요동치는 물속을 항해하지 못한다는 점에 있습니다. 우리는 개별 물고기가 측선(lateral line)—움직임과 압력을 감지하는 몸 옆면의 감각계—을 통해 유속과 난류를 감지할 수 있다는 것을 알고 있지만, 물고기 집단이 어떻게 함께 움직이는지에 대해서는 오랫동안 이해하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 그들은 서로 붙어 다니는가? 물이 거칠어지면 대형을 바꾸는가? 그리고 물의 흐름 형태가 상류로 헤엄쳐 올라가는 능력에 어떤 영향을 미치는가?

쓰촨 대학교와 중국 삼협 그룹의 연구진은 통제된 실험실 환경에서 도전적인 강 환경을 재현함으로써 이 질문들에 대한 답을 찾고자 했습니다. 그들은 강의 모습을 모방하기 위해 설계된 긴 탱크인 대형 개방형 수로를 구축하고, 폭에 따라 다양한 속도로 흐르는 물을 채웠습니다. 균일한 흐름 대신, 그들은 느린 차선, 중간 차선, 빠른 차선의 세 가지 뚜isi한 구역으로 나뉘고, 물의 속도가 급격히 변하는 경계면이 존재하는 비균일 유동장을 만들었습니다. 이 시스템에 연구진은 해당 지역의 토착종이자 상류로 이동하여 번식하는 종인 스키조토락스 프레나티(Schizothorax prenanti) 열 마리씩의 집단을 방류했습니다. 위에서 물고기를 촬영하고 고속 카메라로 움직임을 추적함으로써, 연구진은 물의 변화 조건에 따라 집단이 어떻게 반응하는지 속도, 간격, 그리고 집단적 방향을 측정하며 정확하게 관찰할 수 있었습니다.

결과는 명확하고 일관된 전략을 보여주었습니다. 물고기 집단은 압도적으로 가장 느린 부분에 머무는 것을 선호했습니다. 그들은 빠른 구역과 물의 속도가 한쪽에서 다른 쪽으로 급격히 변하는 난류 구역을 적극적으로 피했습니다. 연구진이 물고기가 실제로 사용한 수역 조건과 그들에게 주어진 조건을 비교 분석했을 때, 그 선호도는 극명했습니다. 물고기는 더 낮은 유속, 더 약한 난류, 그리고 덜 혼란스러운 물의 움직임이 있는 구역을 선택했습니다. 그들은 단순히 물이 이끄는 대로 떠내려간 것이 아니라, 더 차분하고 예측 가능한 흐름 속에 머물기 위해 의도적인 선택을 했습니다. 이러한 저유체역학적 부하(low-hydrodynamic-load) 구역에 대한 선호는 물고기가 에너지를 보존하고 안정성을 추구하며, 강력하고 요동치는 물과 싸우는 물리적 스트레스를 피한다는 것을 시사합니다.

하지만 물고기가 어떻게 이동했는지에 대한 이야기는 단순히 느린 차선을 따라가는 것보다 더 복잡했습니다. 연구진은 집단이 상류로 이동하기 위해 택한 두 가지 뚜렷한 경로를 관찰했습니다. 한 가지 흔한 경로에서, 물고기들은 여 journey의 대부분 동안 느린 구역의 벽 근처에 머물렀으며, 여정의 맨 마지막 단계에서만 빠른 구역으로 이동했습니다. 이 경로는 효율적이었으며, 물고기들은 비교적 빠르게 통과를 완료했습니다. 두 번째 경로는 물고기들이 훨씬 더 일찍 안전한 느린 구역을 벗어나, 느린 차선과 중간 속도 차선을 반복해서 왔다 갔다 하는 방식이었습니다. 이 지그재그 움직임은 훨씬 덜 효율적이었습니다. 집단은 끝에 도달하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸고, 움직임도 덜 조직적이었습니다. 이 발견은 모든 물고기가 잔잔한 물을 선호하더라도, 전환 구역을 항해하기 위해 집단 움직임을 어떻게 조정하느냐가 성공 여부에 큰 차이를 만든다는 점을 강조합니다.

물고기가 이러한 어려운 전환 구역을 통과할 때, 그들의 집단 행동은 변화했습니다. 잔잔하고 느린 물 속에서 물고기들은 매우 조직적이고 통일된 군집을 이루어 모두 같은 방향으로 몸을 정렬한 채 헤엄쳤습니다. 이러한 '군집(schooling)' 행동이 주요 이동 모드였습니다. 그러나 물의 속도가 변하는 경계에 접근할 때, 집단은 종종 이 완벽한 정렬을 깨뜨렸습니다. 그들은 급격히 회전하거나 약간 흩어졌는데, 연구진은 이를 '회전(turning)' 또는 '소용돌이(swaring)' 행동이라고 식정했습니다. 이러한 무질서한 순간들은 혼란의 징후가 아니라 필요한 조정이었습니다. 집단의 서로 다른 부분이 서로 다른 유속을 경험할 때, 물고기들은 집단의 결속을 유지하면서도 동시에 상류로 전진하기 위해 끊임없이 위치를 재조정해야 했습니다. 일단 난류 경계를 지나 새로운 안정적인 흐름을 찾으면, 그들은 빠르게 다시 조밀하고 통일된 군집을 형성했습니다.

연구는 또한 물고기가 서로 얼마나 가깝게 유지하는지와 그들이 직면한 수역 조건 사이의 매혹적인 관계를 밝혀냈습니다. 물고기들은 물이 거칠어진다고 해서 단순히 뭉치거나 고르게 퍼지는 것이 아니었습니다. 대신, 그들은 일정한 '스위트 스팟(sweet spot)'의 간격을 유지했습니다. 물이 적당히 잔잔할 때, 물고기들은 인접한 이웃과 약 0.2에서 0.3미터 사이의 특정 거리를 유지했는데, 이는 수역 스트레스가 가장 낮은 수준에 해당했습니다. 물이 매우 난류 상태가 되면, 물고기들은 접촉을 유지하기 위해 더 밀착하여 뭉치기도 했지만, 집단 전체에 걸친 물의 속도 차이가 관리하기 힘들 정도로 커지면 때때로 더 넓게 퍼지기도 했습니다. 이러한 비선형적 반응은 물고기가 집단의 응집력과 주변 물의 물리적 현실 사이에서 균형을 맞추기 위해 역동적으로 대형을 조정하고 있음을 보여줍니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 물고기의 유영 속도와 관련되었을 것입니다. 집단이 느린 구역에서 빠른 구역으로 이동함에 따라 유영 속도는 급격히 증가했습니다. 가장 느린 물에서는 평균 0.458m/s로 헤엄쳤습니다. 빠른 흐름에 진입하자 속도는 1.0m/s 이상으로 높아졌고, 가장 격렬한 구역에서는 최대 돌파 속도인 2.06m/s에 도달했습니다. 이는 더 작고 균일한 실험실 수조에서 기록된 이 종의 속도보다 현저히 빨랐습니다. 연구진은 물고기들이 이러한 고속 구역에서 보내는 시간은 전체의 1% 미만으로 아주 짧다는 점에 주목했습니다. 이는 물고기가 어려운 구간을 건너기 위해 강력하고 짧은 속도 돌파 능력을 갖추고 있지만, 긴 여정을 위해 에너지를 보존하고자 저속 통로에 의존한다는 것을 시사합니다.

이러한 결과는 어도 설계에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 연구는 단순히 저속 구역을 제공하는 것만으로는 충분하지 않으며, 설계 시 이러한 잔잔한 구역이 연속적인 통로로 연결되도록 보장해야 함을 시사합니다. 만약 경로가 물고기로 하여독 끊임없이 빠르고 느린 물 사이를 횡단하게 만들거나, 고속 구간이 너무 길다면, 물고기는 집단 구조를 유지하기 위해 고군분로하고 에너지를 너무 많이 소비하게 될 것입니다. 이 연구는 성공적인 통과가 유리한 유동 조건의 공간적 연속성과, 집단의 조직력을 깨뜨리지 않고 서로 다른 구역 사이를 매끄럽게 전환할 수 있는 능력에 달려 있음을 나타냅니다. 물고기 집단이 단순히 개별 개체의 집합이 아니라, 흐름에 전체적으로 반응하는 조정된 단위라는 점을 이해함으로써, 엔지니어들은 이동하는 물고기의 자연스러운 행동에 부합하는 어도를 설계하여 댐으로 막힌 강들의 필수적인 연결을 복원하는 데 도움을 줄 수 있습니다.