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Ausbreitung von Pandemien:Wie ein Steinwurf in die Pfütze

Jedes Jahr reisen etwa drei Milliarden Fluggäste um die Welt, mit ihnen Viren und Bakterien: Hier ein Ausbreitungsmodell von Krankheitserregern über Flugverbindungen.

Sars, Vogelgrippe, Ehec - wie breiten sich Pandemien aus? Weltkarten, die den Erdball auf Flugrouten reduzieren, sollen helfen, Infektionskrankheiten besser vorherzusagen. Zentraler Keimverteiler: der Flughafen.

Auf dem Computerbildschirm von Dirk Brockmann sieht die Welt aus wie eine explodierende Silvesterrakete am Nachthimmel. Peking leuchtet als Punkt in der Mitte, drum herum liegen unter anderem Bangkok, Paris, Frankfurt und Chicago. Ländergrenzen, Ozeane und Gebirge sucht man auf dieser Karte vergebens.

Dabei hat der Physikprofessor von der Humboldt-Universität in Berlin keine Geografieschwäche, sondern einfach eine besondere Idee. "Wir haben eine Karte der effektiven Entfernungen entwickelt, auf der nicht die geografische Lage den Abstand zweier Orte bestimmt, sondern wie gut diese verkehrstechnisch verbunden sind", sagt er.

Mit dieser Karte lässt sich die Ausbreitung von Pandemien besser verstehen und simulieren als bisher, wie der Forscher am heutigen Freitag gemeinsam mit Dirk Helbig von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich im Wissenschaftsmagazin Science (Bd. 342, S. 1337, 2013) berichtet. Krankheiten breiten sich darauf ringförmig nach außen aus und sind so vorhersagbar wie Wellen in einer Pfütze, in die man einen Stein geworfen hat.

Die Forscher können berechnen, wann der Erreger in weiteren Regionen ankommen dürfte. Auch der Ursprungsort einer Pandemie lässt sich anhand dieser Darstellungen ermitteln. "Für die Lungenkrankheit Sars, Vogelgrippe und die Darmentzündungen, die durch den Ehec-Erreger ausgelöst wurden, konnten wir schon zeigen, dass das Modell funktioniert", sagt Brockmann.

Der Flughafen als Dreh- Angelpunkt

Mit der einfachen Idee konnte der Physiker ein komplexes Phänomen bändigen. Immerhin reisen jedes Jahr etwa drei Milliarden Fluggäste auf 20 000 Routen um die Welt, und mit ihnen Viren und Bakterien. "Wir leben nicht mehr zu Zeiten der Pest, die sich linear ausgebreitet hat, weil sie sozusagen zu Fuß von Dorf zu Dorf getragen wurde", betont der Forscher.

Dass Flughäfen die Dreh- und Angelpunkte für die weltweite Verbreitung von Sars waren, hat er schon vor gut zehn Jahren herausgefunden. Heute ist klar, dass dies auch für andere Pandemien gilt. Doch als der Physiker die Ausbreitung der Krankheiten auf einer gewöhnlichen Weltkarte simulierte, flackerten die gemeldeten Krankheitsfälle scheinbar ohne System, wie Irrlichter, über den Bildschirm.

"Der Trick ist, dass sich nur dann ein gleichmäßiges kreisförmiges Muster ergibt, wenn der Ursprungsort in der Mitte der Karte ist", erklärt Brockmann. "Man nimmt einfach eine Art Schnappschuss, wo die Epidemie gerade ist, und probiert dann alle Flughafen-Kandidaten durch."

Beim Flughafen, der als Kartenzentrum zu einem besonders gleichförmigen Kreismuster führt, liegt aller Wahrscheinlichkeit auch der zentrale Keimverteiler. Weil das aber nicht immer mit bloßem Auge zu erkennen ist, haben die Forscher ein Maß für die runde Gleichförmigkeit entwickelt, das sich in Zahlen ausdrücken lässt.

Die Idee für die neue Karte kam Brockmann bei einer seiner Reisen von seinem ehemaligen Arbeitsort, der Northwestern University in Evanston bei Chicago, nach Deutschland. "Nach Taxifahrt und oft mehreren Inlandsflügen war der Transatlantikflug der kleinste Teil der Reise, obwohl damit die meisten Kilometer zurückgelegt wurden", erzählt er. Und so läge Frankfurt auf der neuen Karte deutlich näher an New York als das nicht einmal 1500 Kilometer Luftlinie entfernte Evanston.

Allerdings sind Brockmanns Illustrationen bislang vereinfachte Modelle. Sie enthalten weder jeden Regionalflughafen noch alle möglichen Flüge: Querverbindungen zwischen den Außenästen gibt es darum nicht.