Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf den Spuren des Geldes: Durchbruch für mathematische Vorhersage von Epidemien

26.01.2006


Göttinger Max-Planck-Forscher decken universelle Gesetzmäßigkeiten im Reiseverhalten auf


Die Bewegung von Geldnoten in den USA. Jede Linie symbolisiert die geographische Reise einer einzelnen Geldnote zwischen Anfangsort (Seattle: blau, New York: gelb) und verschiedenen Zielorten. Jede Geldnote war weniger als eine Woche unterwegs. Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation



Die wachsende Mobilität der Menschen ist die zentrale Ursache für die geographische Ausbreitung moderner Seuchen. Bakterien und Viren können über große Strecken transportiert und an andere Personen weitergegeben werden. Um die Ausbreitung von Epidemien vorherzusagen, muss man daher die statistischen Gesetzmäßigkeiten des menschlichen Reiseverhaltens kennen, was angesichts einer drohenden Grippepandemie von großer Bedeutung ist. Jedoch erweisen sich quantitative Untersuchungen als extrem schwierig, da sich Menschen über kleine und große Strecken mit Hilfe verschiedenster Verkehrsmittel (Auto, Bahn, Flugzeug, etc.) bewegen. Mit einem verblüffenden Trick ist es jetzt Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, der Universität Göttingen und der University of California Santa Barbara gelungen, dieses Reiseverhalten zu bestimmen. Sie hatten die Idee, umfangreiche Daten einer amerikanischen Internetseite auszuwerten, auf der Benutzer zum Spaß den momentan Ort eines Geldscheins registrieren und seinen weiteren Weg verfolgen können. Diese Geldnoten werden ähnlich wie Krankheitserreger durch Menschen von Ort zu Ort transportiert. Hierbei stellte sich überraschenderweise heraus, dass die Reisebewegungen so genannten universellen Skalierungsgesetzen folgen. Die Wissenschaftler haben eine mathematische Theorie entwickelt, die erstaunlich genau Reisebewegungen auf Entfernungen von einigen wenigen bis einigen tausend Kilometern beschreibt und einen signifikanten Durchbruch für die mathematische Modellierung der Seuchenausbreitung bedeutet (Nature, 26. Januar 2006).

... mehr zu:
»Epidemie »Pandemie »Seuche


Die weltweite Ausbreitung von Seuchen, so genannten Pandemien mit verheerenden gesundheitlichen und ökonomischen Konsequenzen, ist in der globalisierten Welt mit intensivem internationalen Handel, wachsender Mobilität und hoher Verkehrsintensität zu einer sehr ernsten Bedrohung geworden. Die Vogelgrippe (aviäre Influenza A), die Entstehung eines neuartigen menschlichen Grippe-"Supervirus" und einer potenziellen weltweiten Grippepandemie haben in den letzten Wochen und Monaten nicht grundlos für Schlagzeilen gesorgt.

Ursache für die geographische Ausbreitung zahlreicher infektiöser Krankheiten ist die Bewegung infizierter Individuen von Ort zu Ort. Historische Pandemien, wie die Pest im 14. Jahrhundert, haben sich nur langsam als Wellenfront über weite geographische Gebiete ausgebreitet, da die Menschen im Mittelalter typischerweise nur einige Kilometer pro Tag reisen konnten und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Seuchen begrenzten. Die Pest brauchte damals etwa drei Jahre, um den europäischen Kontinent von Süden nach Norden mit einer mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 2 km/Tag zu durchqueren.

Heute jedoch legen Menschen in kurzen Zeiträumen auch große Entfernungen zurück. Man erwartet deshalb, dass sich kommende Pandemien nach anderen Gesetzen und sehr viel schneller ausbreiten, wie bereits das Beispiel der rapiden weltweiten Ausbreitung von SARS (severe acute respiratory syndrome) gezeigt hat.

Um die Ausbreitung moderner Seuchen in mathematischen Modellen zu beschreiben und Vorhersagekonzepte zu entwickeln, ist als zentraler Baustein eine genaue quantitative Kenntnis des Reiseverhaltens auf allen Entfernungsskalen erforderlich. Leider ist es bisher nicht gelungen, die charakteristischen Eigenschaften dieser Bewegungsströme zu quantifizieren. Das ist auch nicht weiter verwunderlich, da heutzutage Menschen die verschiedensten Verkehrsmittel verwenden können. Kurze bis mittlere Entfernungen werden mit Fahrrad, Auto und Bahn zurückgelegt, lange Reisen typischerweise per Flugzeug unternommen. Um umfassende Bewegungsdaten zu erheben, müssten all diese Verkehrsströme landesweit und international über längere Zeiträume gemessen und zusammengefasst werden. Das erscheint kaum möglich.

D. Brockmann, L. Hufnagel und T. Geisel, theoretische Physiker des Göttinger Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, der Universität Göttingen und der University of California Santa Barbara, haben nun diese Schwierigkeiten umgangen und die Gesetzmäßigkeiten menschlichen Reiseverhaltens mit hoher Präzision ermittelt.

Statt der Bewegung einzelner Menschen untersuchten die Forscher die geographische Zirkulation von Geldscheinen, die durch reisende Menschen von Ort zu Ort transportiert werden. Dazu analysierten die Physiker Daten eines amerikanischen Bill-Tracking Internetspiels. Die Idee dieses Spiels ist denkbar einfach: Eine große Anzahl von Geldnoten wird markiert und in Umlauf gebracht. Bekommt man eine markierte Geldnote, so kann man sich online registrieren, in einem Bericht seinen momentanen Aufenthaltsort angeben und die Dollarnote wieder in Umlauf bringen. Diese Internetseite ist mittlerweile so populär, dass schon ca. 50 Millionen individuelle Geldscheine registriert sind.

"Wir haben erkannt", so Dirk Brockmann vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, "dass wir durch die enorme Datenfülle und die hohe geographische und zeitliche Auflösung des Bill-Trackings genaue Rückschlüsse auf die statistischen Eigenschaften des Reiseverhaltens ziehen können, und zwar unabhängig von den benutzten Verkehrsmitteln. Wir hofften auf diesem Weg indirekt und mit hoher Präzision die typischen Eigenschaften des Reiseverhaltens zu ermitteln".

Diese Hoffnung hat sich mehr als bestätigt. Die Wissenschaftler entdeckten in den Bewegungsdaten universelle Skalierungsgesetze, die dem menschlichen Reiseverhalten zugrunde liegen. Ähnliche Skalierungsgesetze kennt man aus anderen physikalischen und biologischen Systemen, wie turbulenten Strömungen und chaotischen Systemen. "Das Besondere an diesen Skalierungsgesetzen ist die Tatsache, dass sie durch nur zwei universelle Parameter festgelegt sind. Dieses Ergebnis hat uns alle überrascht.", erklärt Lars Hufnagel von der University of California, Santa Barbara.

Bis heute basieren zahlreiche Modelle zur geographischen Ausbreitung von Seuchen auf der Annahme, dass sich Krankheitserreger geographisch diffusiv ausbreiten, ähnlich feinster Staubpartikel auf einer Wasseroberfläche. Diese Standardmodelle konnten zwar sehr erfolgreich die wellenförmige Ausbreitung historischer Pandemien beschreiben. Die Untersuchungen der Göttinger Wissenschaftler belegen nun eindeutig, dass diese Standardmodelle für die Ausbreitung moderner Seuchen nicht mehr anwendbar sind. "Die Konsequenz unserer Untersuchungen ist, dass zur Beschreibung der geographischen Ausbreitung moderner Seuchen neuartige theoretische Konzepte entwickelt werden müssen", folgert Dirk Brockmann.

Auf der Basis dieser Analyse konnten die Physiker eine mathematische Theorie des menschlichen Reiseverhaltens aufstellen, deren Vorhersagen mit den gemessen Skalierungsgesetzen in einem Entfernungsbereich von einigen Kilometern bis einigen tausend Kilometern genau übereinstimmt. Da für viele Krankheitserreger die Mechanismen der Ansteckung von Mensch zu Mensch bereits gut verstanden sind, können nun mit Hilfe der neuen Theorie erstmals konkrete Modelle untersucht werden, mit denen die globale Seuchenausbreitung realistisch berechnet und beschrieben werden kann. "Wir sind optimistisch, dass dies die Vorhersage der geographischen Ausbreitung von Epidemien entscheidend verbessern wird", sagt Professor Theo Geisel, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Originalveröffentlichung:

D. Brockmann, L. Hufnagel and T. Geisel
The scaling laws of human travel
Nature, 26 January 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Epidemie Pandemie Seuche

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Neuer Ansatz: Nierenschädigungen therapieren, bevor Symptome auftreten
20.09.2017 | Universitätsklinikum Regensburg (UKR)

nachricht Neuer Ansatz zur Therapie der diabetischen Nephropathie
19.09.2017 | Universitätsklinikum Magdeburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie