Epidemien

Wie sich Seuchen aus Berlin in die Welt ausbreiten würden

Der Berliner Physikprofessor Dirk Brockmann hat das Muster von weltweiten Masseninfektionen entdeckt. Durch die Theorie können Voraussagen über Seuchenausbreitungen deutlich effizienter werden.

Foto: Krauthöfer / Jörg

Lange Zeit schien es, als würden sich moderne Seuchen ohne Muster ausbreiten. Forscher ließen komplexe Simulationen durch Supercomputer laufen, um die Verbreitung von neuen Keimen vorauszusagen. Aber sie standen vor einem Dilemma: Nur wenn die Eigenschaften eines spezifischen Krankheitserregers bekannt waren, ergaben die Computersimulationen zuverlässige Voraussagen.

In vielen Fälle, in denen Wissenschaftler nach Prognosen gefragt wurden, handelte es sich aber um neue oder nur gering bekannte Krankheiten wie die Darmerkrankung EHEC im Jahr 2011, die durch H1N1 ausgelöste Schweinegrippe 2009/2010 oder die Lungenerkrankung SARS 2002/2003.

Damals wurden verschiedene Forschungsteams auf der ganzen Welt beauftragt, die jeweilige Seuchenausbreitung vorherzusagen. Sie kamen alle zu unterschiedlichen Ergebnissen. Es schien, als würde etwas Grundlegendes übersehen werden. So haben sich Dirk Brockmann, Physiktheorieprofessor an der Humboldt-Universität zu Berlin, und Dirk Helbing, Soziologie-Professor an der ETH Zürich, auf die Suche nach diesem Fundament gemacht.

Das Resultat war, dass sie eine verborgene Geometrie in der Ausbreitung von Seuchen fanden, nachdem sie die weltweiten Passagierströme in ihr mathematisches Modell inkorporierten. „Vor ein paar Jahren kam ein Mitarbeiter in unser Labor und sagte, egal ob er mit dem Fahrrad oder mit der U-Bahn zur Arbeit kommt, die Strecke dauert gleich lang“, erklärt Brockmann den Ursprung der Idee für das Modell. „Da dachte ich mir, dass es auch für Seuchenausbreitung Karten geben müsste, die die eigentlichen Reisezeiten zeigen.“

Weltweite Mobilität birgt Gefahren

In der modernen vernetzten Welt bewegen sich Keime anders als früher. Als Europa im 14. Jahrhundert von der Pest befallen wurde, tötete die Krankheit innerhalb von vier Jahren rund 25 Prozent der Bevölkerung. Aber die Ausbreitung des schwarzen Todes folgte einem gut dokumentierten, simplen Muster. Damals war Mobilität fast ausschließlich lokal, und infolgedessen schritt die Pest als gleichmäßige Wellenfront von Süden nach Norden mit einer Geschwindigkeit von nur etwa vier bis fünf Kilometer pro Tag voran.

Heutzutage ist das Verteilungsmuster anders. Weltweit gibt es mehr als 4000 Flughäfen, die durch über 25.000 Flugrouten miteinander vernetzt sind. Über sie werden jährlich mehr als drei Milliarden Menschen von einem Ort zu einem anderen geflogen – und mit ihnen können eben auch Seuchenerreger transportiert werden. „Heutzutage kann sich eine Krankheit zwischen 100 und 400 Kilometer am Tag ausbreiten“, sagt Brockmann. Helbing erklärt weiter: „Die Vernetzung unserer Welt hat also die Gefahr, die von Seuchen ausgeht, verschärft. Gleichzeitig ist Krankheitsausbreitung weniger verständlich geworden.“

Zeichnet man die Krankheitswege auf eine Weltkarte, scheint die Verbreitung auf den ersten Blick geradezu chaotisch. Aber das von den beiden Komplexitätsforschern entwickelte mathematische Modell bringt eine vertraute Struktur in das Chaos.

Mathematische Formel deckt Ausbreitungsmuster auf

Nachdem die Wissenschaftler die Passagierströme in ihr Modell einbezogen, wurden aus den komplexen Ausbreitungsmustern erstaunlich regelmäßige, kreisförmige Wellenfronten, die sich mathematisch leicht beschreiben lassen. „Sie sind so ähnlich wie die konzentrischen Kreise, die sich ausbreiten, nachdem man einen Stein ins Wasser geworfen hat“, beschreibt Brockmann das Verbreitungsmuster. So zeigt die Grafik, wie sich eine in Berlin ausgebrochene Infektionskrankheit kreisförmig in der Welt verbreitet.

Eine akute Seuchengefahr gibt es in Berlin nicht, doch immer wieder tauchen Krankheitsfälle auf. 2013 traf eine Masernwelle Deutschland. Mehr als 1500 Menschen erkrankten an dem hoch ansteckenden Virus. 2012 waren es gerade einmal 165. Ende Dezember kam die nächste Gefahr. Ein Student an der Freien Universität erkrankte an der meldepflichtigen Lungeninfektion (Tbc). 300 Kommilitonen und Mitarbeiter müssen nun in Berlins Tuberkulosezentrum Lichtenberg untersucht werden. Gesundheitsbehörden gehen davon aus, dass viele Infektionen durch Zuwanderer und Touristen nach Berlin getragen werden.

Der Ansatz der beiden Forscher beruht auf einer neuen Definition von Entfernung, die sie „effektive Distanz“ nennen. „In der modernen Welt hat die verkehrstechnische Vernetzung ein mindestens genauso großes Gewicht wie die absolute Entfernung in Kilometern“, sagt Brockmann. Aus dieser Perspektive kann zum Beispiel Frankfurt am Main effektiv näher an den Metropolen London oder New York liegen als an geografisch näheren Orten wie Kiel oder Bremen.

Modell kann der Ursprungsort eingrenzen

Die Theorie trennt auch Transportwege von epidemischen Parametern – wie Sterblichkeit, Infektionsrisiko oder Übertragungswege, die Computersimulationen benötigen, um zuverlässige Prognosen zu produzieren. „Mit unserem Ansatz lässt sich also selbst bei wenig bekannten Epidemien etwas über die Reihenfolge, in der eine Krankheit bestimmte Städte erreicht, sagen“, so Helbing.

Definitive Voraussagen gibt es jedoch nicht. Die Prognosen seien eher wie der Wetterbericht, so Brockmann, also nicht immer richtig. „Es gibt zwischen Krankheiten wichtige Unterschiede, die sich auch auf ihre Ausbreitung auswirken. So als wenn man einen Stein in Wasser oder in Öl wirft.“ Das Muster bleibe aber dasselbe und sei damit ein hilfreiches Mittel für medizinische Vorbereitung.

Auch um den Ausgangspunkt einer Krankheit zu finden, sei das Modell nützlich, betont Brockmann. So kann rückwirkend der Ursprungsort gefunden werden, indem man ein aktuelles Ausbreitungsmuster aus der Perspektive aller möglichen Orte berechnet und den Punkt, von wo aus die Kreise am rundesten sind, findet.

Gemeinsam wünschen sich die beiden Forscher aus Berlin und Zürich, dass ihre Theorie Voraussagen über Seuchenausbreitung deutlich effizienter und zuverlässiger machen wird.

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