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 Sind Epilepsie-Patienten wetterfühlig?
23.05.2017 | Universitätsklinikum Jena

nachricht Dual-Layer Spektral-CT: Bessere Therapieplanung beim Bauchspeicheldrüsenkrebs
18.05.2017 | Deutsche Röntgengesellschaft e.V.

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: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise