Mathematische Modellierung von Zugvögeln, Hausgeflügel und Vogelgrippe

Die Persistenz und das Wiederauftreten von H5N1 Vogelgrippe in endemischen Gebieten können stark von Bewegung und Infektion durch Zugvögel verantwortlich gemacht werden. Handel mit Geflügel , Geflügelprodukte und Vögel im Käfig , und die Bewegung der wild lebenden Vogelarten auch einen Anteil von H5N1- Prävalenz in diesen Bereichen. Mehrere jüngsten Ausbrüche der Vogelgrippe haben starke Hinweise auf Zugvögel spielen eine Rolle bei der Übertragung des Virus über weite Strecken vorgeschlagen.

In einem Papier veröffentlichte letzte Woche in der SIAM Journal on Applied MathematicsAutoren Lydia Bourouiba , Stephen A. Gourley , Rongsong Liu und Jianhong Wu analysieren die Wechselwirkung zwischen nichtwandernden Geflügel und Zugvögeln , um die Rolle des letzteren in der Verbreitung des H5N1-Virus zu untersuchen.

Obwohl die Vogelgrippe nur selten Menschen infiziert wurden gelegentlich Fälle von Infektionen beim Menschen seit Ende der neunziger Jahre zu beobachten. Darüber hinaus ist es ein großes Problem in der Geflügelindustrie seit infizierten Herden kann eine Belastung der Ressourcen führen und droht Nahrungsmittelversorgung. Es kann auch zu einer signifikanten Reduktion in Wildvogelpopulationen , die von großer ökologischer Anliegen führen.

"Wie das Zusammenspiel einer wandernden Vogelarten mit Hausgeflügel , um die Ausbreitung und Persistenz des hoch pathogenen H5N1- Virus beiträgt, ist eine Frage der tiefen Bedeutung für die Bekämpfung der Vogelgrippe zu verbreiten, und zu den Bemühungen der Milderung der Auswirkungen der Krankheit auf die heimische Geflügelindustrie ", sagt entsprechenden Autor Stephen Gourley , Forscher in der Abteilung für Mathematik an der University of Surrey . " Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine wirklich interdisziplinäre Ansatz, der die Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen . Mathematische Modellierung können eine wichtige Rolle bei der Lösung ein so komplexes Problem , in dem Experimente sind schwierig und Überwachungsdaten ist begrenzt zu spielen."

Um festzustellen, wie die Zugvögel vielleicht Krankheit bei Geflügel beitragen , die Autoren zunächst die Anfälligkeit von Zugvögeln , um eine Infektion zu analysieren unter Verwendung eines Modells auf ihrem Weg entlang der Flugrouten zu verfolgen. " Patches" stellen 4 Standorten : Zucht und Überwinterungsgebieten und Zwischenstopps auf Hin- und Rück Strecken, auf denen Vögel zu stoppen , um sich auszuruhen und Futtermittel. Die Migration flyway wird mathematisch durch eine eindimensionale geschlossene Kurve beginnt und endet an der Zucht Patch ausgedrückt. Reaction - Advektion Gleichungen beschreiben die Migration der Vögel auf dieser Flugbahn .

Die Menge von Vögeln anfällig für Infektionen durch Bestimmung der Dichte des empfänglichen Vögeln entlang der Flugrouteberechnet. Der Zeitpunkt der Reise der empfänglichen Vögeln ist die Entfernung zwischen jedem Patch dividiert durch ihre mittlere Fluggeschwindigkeit. In-flight auch Todesfälle entfielen in der Gleichung. Unter der Annahme , dass Zugvögel kann nur mit dem Virus infiziert , während in Patches (und nicht während der Übertragung ) , die Wahrscheinlichkeit einer Infektion eines Vogels wird auf der Basis ihrer Kontaktrate mit infizierten Zugvögeln und Geflügel angesteckt , und die Zeit in einem Patch verbracht . Die Zeit des Aufenthalts hängt von verschiedenen Faktoren , wie beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der Vögel geben Sie den Patch , Länge und Dauer der Reise , Energie auf ihre eingehenden Flug verbraucht und die erforderlich sind, um fortzufahren Nahrung.

Das Modell berücksichtigt sowohl die Beobachtung, dass Vögel begegnen sehr unterschiedlichen Bedingungen in den verschiedenen Stadien auf ihrer Zugroute . In Wirklichkeit haben die Zugvögel mehr als ein einziges Zwischenstopp in der Herbst und Frühjahr Strecken ; diese werden zusammen als ein jeder für die der Einfachheit halber zusammengefasst. Die Bevölkerung von Geflügel auf jedem Patch wird angenommen, eine Konstante zu sein , ebenso wie die Länge der Zugweg und durchschnittliche Fluggeschwindigkeit.

Mit ihrem Modell , analysieren die Autoren die Dynamik der Migrations Gemeinsame Krickenten und deren Interaktion mit Hausgeflügel in der Poyang See Gebiet von China. Ihre Simulationen zeigen, dass die Ankunft der Zugvögel im Winter kann mit Geflügel in krankheitsfreien Zeit einzuführen. Sobald das Grippe wird endemisch im Winter ein idealer Ort , ist das Ergebnis Halt der Grippe in Zugvögeln selbst. "Es ist erstaunlich , dass unser Modell, das von der überraschend einfachen Annahmen beginnt , kann vorhersagen, wann wird es ein Ausbruch der Krankheit , und wie wenige Daten aus der Region chinesischen Poyang See können Sie parametrieren und Validierung des Modells werden können", sagt Gourley .

Zukünftige Untersuchungen sollten auf der Suche nach Werkzeugen, die SpitzenzeitenKrankheit vorhersagen kann fokussiert werden , so die Forscher . "Einige unserer Computersimulationen zeigen, dass Spitzenkrankheitsaktivitätwird nicht immer in einem regelmäßigen vorhersagbaren Muster auftreten", erklärt Gourley . " Unregelmäßigen Abständen von Spitze zu Spitze stellen erhebliche Herausforderungen für die künftige Grundlagenforschung . Werkzeuge , die Spitzenzeiten abschätzen kann wichtig für die Gestaltung eine effiziente Überwachung und für die Planung von Interventionsstrategien sein."

Darüber hinaus kann die Integration dieser Forschung mit Daten aus internationalen Zugvogel Überwachung und gewerbliche Geflügelhandelmehr Licht auf diese Wechselwirkungen im globalen Maßstab zu vergießen. Viele nationale und internationale Organisationen sind in diese Bemühungen eingebunden. Der United States Geological Survey ( USGS) hat in Zusammenarbeit mit der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen ( FAO ) zusammen, um die Rolle von Wildvögeln in der geographischen Ausbreitung von H5N1 zu studieren.

" Es wäre toll, um mehr Informationen über globale Überwachung von Zugvögeln und gewerbliche Geflügelhandel, so dass [ unsere ] Modell kann erweitert werden , um die Krankheit auf dem Netzwerk von Zugvogelrouten und kommerziellen Handel verteilt verstehen", sagt Gourley . "Das zeigt, wie wichtig die Fortsetzung und Verbesserung der aktuellen Arbeit der Vereinten Nationen FAO und der US Geological Survey . "

Quelle:
Karthika Muthukumaraswamy
Society for Industrial and Applied Mathematics