Zaglądanie w przyszłość – w jaki sposób naukowcy przewidują przebieg pandemii koronawirusa

Artykuł/Koronawirus 26.03.2020
Zaglądanie w przyszłość – w jaki sposób naukowcy przewidują przebieg pandemii koronawirusa

Zaglądanie w przyszłość – w jaki sposób naukowcy przewidują przebieg pandemii koronawirusa

Układanie strategii w walce z pandemią SARS-CoV-2 w dużej mierze zależy od prognoz dotyczących tego, w jaki sposób wirus ten będzie się rozprzestrzeniał. Jak tworzy się takie prognozy?

W przypadku szybko rozprzestrzeniających się wirusów, w początkowym okresie badacze muszą polegać tylko i wyłącznie na modelach matematycznych. Nie jest to bynajmniej ich wybór, a konieczność. Dzięki zastosowaniu tego rodzaju narzędzi sztaby kryzysowe są w stanie przewidzieć, w jaki sposób i gdzie przemieszczać się będą ludzie, którzy mogą zostać potencjalnie zarażeni i jak prawdopodobnym jest to, że zaczną zarażać innych.

Biostatystyka kontra pandemia

W dzisiejszych czasach, w których obliczenia wykonywane są przez komputery, analitycy mogą błyskawicznie modyfikować formuły w swoich modelach, tak aby dostosowywać je do dynamicznie zmieniających się danych rzeczywistych. Tak właśnie dzieje się w przypadku obecnej pandemii, w której dane wejściowe takie jak np. wzorce dotyczące przemieszczania się zarażonych koronawirusem osób ulegają zmianie na skutek ingerencji państw.

Nie mówiąc już o tym, że modele te do swojego poprawnego działania muszą uwzględniać tzw. dane szacunkowe, takie jak np. sposób przemieszczania się statystycznej zarażonej osoby. Dzięki komputerom na szczęście wszystkie te dane mogą być modyfikowane błyskawicznie, a wyniki zmieniające się za sprawą tych modyfikacji porównywane z rzeczywistą sytuacją. Im wyniki bardziej się pokrywają, tym większe szanse na to, że dany model rzeczywiście działa.

Z drugiej strony praca z niepełnymi danymi powoduje, że niewielki błąd w pojedynczym założeniu może mieć ogromny wpływ na wynik. Stąd też większość epidemiologów podaje dość bezpieczne (i szerokie) przedziały tego, ile procent ziemskiej populacji zostanie zarażona koronawirusem – od 20 do nawet 80 proc. Na ten rozstrzał wpływa chociażby niepewny wskaźnik reprodukcji wirusa (zaraźliwość) R0, czyli średnia liczba nowych przypadków, spowodowanych kontaktem z pojedynczą zarażoną osobą.

— Jeśli się mylisz się co do tej liczby, twoje szacunki mogą okazać się błędne nawet o rząd wielkości – mówi Dirk Brockmann, fizyk z Institute for Theoretical Biology na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie

Obecnie szacuje się, że R0 dla SARS-CoV-2 wynosi pomiędzy 2 i 3. Dla porównania, R0 dla SARS to od 2 do 4, a dla odry od 12 do 18.

Ponieważ każdy szacunkowy składnik modelu wprowadza do niego większą niepewność, wielu badaczy woli skupić się na tworzeniu bardziej ograniczonych, ale za to pewniejszych modeli. Dobrym przykładem takiego działania jest np. wykorzystanie danych dot. lotów międzynarodowych do przewidzenia tego, które lotniska stwarzają największe ryzyko, jeśli chodzi o rozprzestrzenianie się wirusa na dalsze kraje.

Model rozprzestrzeniania się wirusa z międzynarodowego lotniska w Pekinie. Źródło

Alessandro Vespignani, fizyk i dyrektor Laboratorium Modelowania Systemów Biologicznych i Społeczno-Technicznych na Uniwersytecie Northeastern, kieruje zespołem, który symuluje rozprzestrzenianie się koronawirusa na bazie oficjalnych danych z podróży lotniczych i przewidywanych wzorców dojazdu dla populacji uwzględnionej w spisie powszechnym Stanów Zjednoczonych.

Co ciekawe, modele tego typu, które nie biorą pod uwagę poziomu transmisji wirusa, doskonale przewidują to, które kraje są najbardziej narażone na ryzyko wystąpienia nowych przypadków COVID-19.

— Jeśli kilka modeli wskazuje ten sam kierunek, to znaczy, że podawane przez nie wyniki można traktować realnie – mówi Vespignani.

Chińscy badacze zastosowali bardziej rozbudowany model, opierając się na danych indywidualnej mobilności dotyczącej lotów i wzorców podróży naziemnych w okresie świąt księżycowego Nowego Roku, czyli okresu, w którym epidemia koronawirusa zaczęła przyspieszać.

ten sam model z uwzględnieniem lotniska w Warszawie, jako miejsca początkowego. Źródło

Skąd wzięli te wzorce? Dane dotyczące podróży pochodziły z analogicznego okresu 2019 r. i zostały udostępnione przez firmę Tencent – chińskiego giganta technologicznego, do którego należy jeden z najbardziej popularnych komunikatorów w Chinach, WeChat.

Dzięki bardziej dokładnym danym geolokalizacyjnym Chińczycy, oprócz analizy wzorców podróżowania, byli również w stanie stworzyć szacunkowe dane dotyczące transmisji wirusa pomiędzy chińskimi obywatelami.

Z analizy danych pochodzących z tego modelu wynika, że wirus zaczął roznosić się po świecie mniej więcej od 25 stycznia. Jeśli zestawimy to z czasem reakcji poszczególnych państw, wniosek, jaki się pojawia, nie jest zbyt optymistyczny i brzmi następująco: zareagowaliśmy za późno.

Jeszcze więcej danych wejściowych

Oprócz łączenia znanych i niepewnych czynników związanych z podróżowaniem i zaraźliwością wirusa, modele muszą uwzględniać także efekty środków zapobiegawczych – takich jak zamknięcie szkół, ograniczenie swobody poruszania się obywateli lub – tak jak w przypadku Chin – objęcie kwarantanną całych miast.

Opierając się na modelu uwzględniającym te dane, badacze z Hongkongu 1,5 miesiąca temu zarekomendowali, aby drakońskie środki ograniczające mobilność obywateli zostały wprowadzone natychmiast, na każdym obszarze, na którym wirus się już pojawił.

Dane rzeczywiste. Źródło

Większość ekspertów ds. zdrowia publicznego nadal jednak ma spore wątpliwości co do skuteczności takich ograniczeń dotyczących podróży w obrębie miast i między nimi. Badania poprzednich epidemii sugerują, że rygorystyczne ograniczenia w ruchu mają mocno ograniczony wpływ na spowolnienie rozprzestrzeniania się chorób w skali międzynarodowej.

Jeszcze inne modele, np. ten, nad którym pracuje Lauren Gardner, inżynier z Center for Systems Science and Engineering na Uniwersytecie Johna Hopkinsa, skupiają się na przewidywaniu bardzo wąskiego wycinka przyszłości. Model, nad którym pracuje Gardner, skupia się na przykład na typowaniu tych lotnisk, na których w pierwszej kolejności powinno się wprowadzić dodatkowe procedury badania nowoprzybyłych pasażerów. Model ten wykorzystywany jest przez lokalne służby w Stanach.

Modele kontra rzeczywistość

Pomimo różnorodności modeli wykorzystywanych przez naukowców, większość z nich była niezwykle zgodna, jeśli chodzi o wyniki w dniach 4 i 5 lutego, kiedy to liczba potwierdzonych przypadków na całym świecie wzrosła z nieco poniżej 24 tys. do ponad 28 tys. Liczba prognozowana przez modele matematyczne była o wiele większa.

Dlatego też rodzi się pytanie, o to, które dane są bardziej prawdziwe – te uzyskane na podstawie rzeczywistych testów, czy te uzyskane na bazie modeli? Tego dowiemy się zapewne dopiero po zakończeniu pandemii, kiedy badacze będą mogli porównać rzeczywiste wyniki z prognozami. Aktualnie liczba potwierdzonych przypadków zarażenia się koronawirusem wynosi 438 tys., co w samym marcu oznacza wzrost o 350 tys.

Dołącz do dyskusji