TY  - THES
A1  - Brandt, Stephan Peter
T1  - Zelltyp-spezifische Mikroanalyse von Arabidopsis thaliana-Blättern
N2  - Im ersten Teil der Arbeit wurden Strategien zur Analyse von Transkripten erarbeitet. Die ersten Versuche zielten darauf ab, in mit Glaskapillaren genommenen Einzelzellproben verschiedener Gewebeschichten RT-PCR durchzuführen, um spezifische Transkripte nachweisen zu können. Dies gelang für eine Reihe von Genen aus verschiedenen Pflanzenspezies. Dabei konnten sowohl Transkripte stark wie auch schwach exprimierter Gene nachgewiesen werden.  Für die Erstellung von Gewebe-spezifischen Expressionsprofilen war es notwendig, die in vereinigten Zellproben enthaltene mRNA zunächst zu amplifizieren, um eine ausreichende Menge für Arrayhybridisierungen zu erhalten. Vor der Vermehrung wurde die mRNA revers transkribiert. Es wurden daran anschließend verschiedene Amplifikationsstrategien getestet: Die neben Tailing, Adapterligation und anderen PCR-basierenden Protokollen getestete Arbitrary-PCR hat sich in dieser Arbeit als einfache und einzige Methode herausgestellt, die mit so geringen cDNA-Mengen reproduzierbar arbeitet. Durch Gewebe-spezifische Array-hybridisierungen mit der so amplifizierten RNA konnten schon bekannte Expressionsmuster verschiedener Gene, vornehmlich solcher, die an der Photosynthese beteiligt sind, beobachtet werden. Es wurden aber auch eine ganze Reihe neuer offensichtlich Gewebe-spezifisch exprimierter Gene gefunden. Exemplarisch für die differentiell exprimierten Gene konnte das durch Arrayhybridisierungen gefundene Expressionsmuster der kleinen Untereinheit von Rubisco verifiziert werden. Hierzu wurden Methoden zum Gewebe-spezifischen Northernblot sowie semiquantitativer und Echtzeit-Einzelzell-RT-PCR entwickelt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Methoden zur Analyse von Metaboliten einschließlich anorganischer Ionen verwendet. Es stellte sich heraus, daß die multiparallele Methode der Gaschromatographie-Massenspektrometrie keine geeignete Methode für die Analyse selbst vieler vereinigter Zellinhalte ist. Daher wurde auf Kapillarelektrophorese zurückgegriffen. Eine Methode, die mit sehr kleinen Probenvolumina auskommt, eine hohe Trennung erzielt und zudem extrem geringe Detektionslimits besitzt. Die Analyse von Kohlenhydraten und Anionen erfordert eine weitere Optimierung. Über UV-Detektion konnte die K+-Konzentration in verschiedenen Geweben von A. thaliana bestimmt werden. Sie lag in Epidermis und Mesophyll mit ca. 25 mM unterhalb der für andere Pflanzenspezies (Solanum tuberosum und Hordeum vulgare) publizierten Konzentration. Weiter konnte gezeigt werden, daß zwölf freie Aminosäuren mittels einer auf Kapillarelektrophorese basierenden Methode in vereinigten Zellproben von Cucurbita maxima identifiziert werden konnten. Die Übertragung der Methode auf A. thaliana-Proben muß jedoch weiter optimiert werden, da die Sensitivität selbst bei Laser induzierter Fluoreszenz-Detektion nicht ausreichte. Im dritten und letzten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die die Analyse bekannter wie unbekannter Proteine in Gewebe-spezifischen Proben ermöglicht. Hierzu wurde zur Probennahme mittels mechanischer Mikrodissektion eine alternative Methode zur Laser Capture Microdissection verwendet, um aus eingebetteten Gewebeschnitten distinkte Bereiche herauszuschneiden und somit homogenes Gewebe anzureichern. Aus diesem konnten die Proteine extrahiert und über Polyacrylamidgelelektrophorese separariert werden. Banden konnten ausgeschnitten, tryptisch verdaut und massenspektrometrisch die Primärsequenz der Peptidfragmente bestimmt werden. So konnten als Hauptproteine im Mesophyll die große Untereinheit von Rubisco sowie ein Chlorophyll bindendes Protein gefunden werden. Die in dieser Arbeit entwickelten und auf die Modellpflanze Arabidopsis thaliana angewandten Einzelzellanalysetechniken erlauben es in Zukunft, physiologische Prozesse besser sowohl räumlich als auch zeitlich aufzulösen. Dies wird zu einem detaillierteren Verständnis mannigfaltiger Vorgänge wie Zell-Zell-Kommunikation, Signalweiterleitung oder Pflanzen-Pathogen-Interaktionen führen.
N2  - The subject of this thesis was the analysis of single plant cells in respect to their contents of i) transcripts, ii) inorganic cations and anions, iii) metabolites like amino acids and carbohydrates as well as iv) proteins. One task was the transfer of existing methods to single cell analysis on leaf tissues of the model plant Arabisopsis thaliana L., the second one was the refinement and the development, respectively, of new protocols for the analysis of such picoliter samples. For cell type specific sampling two different complimentary methods were applied: Using micro glass capillaries specific single cell contents could be harvested from intact plants, whereas typical sample volumes were in the picoliter range. Even the sampling of inner cell types such as companion cells could be demonstrated. Using mechanical micro dissection of embedded tissue a larger amount of homogenous tissue could be collected. Because single cell samples contain only femtogram amounts of mRNA, direct detection of transcripts is impossible. Therefore, two amplification protocols were applied to the cell samples: The first procedure makes use of specifically primed RT-PCR for amplification. Several genes derived from different plants and tissues could be detected after successful RT-PCR, including high as well as low expressed genes. The second method was developed to monitor the activity of many genes in parallel using array hybridisation with filters containing the cDNA of as many as 16.000 ESTs. For this purpose, unspecific RT-PCR as it is applied in the differential display was used to amplify different transcripts in just one reaction. However, in these tissue specific array hybridisations the expression patterns of several hundreds genes could be monitored. These included known tissue specific expression patterns (of mainly photosynthesis related genes) as well as a couple of unknown expression patterns. To verify the tissue specificity of gene activity some results were reconsidered using tissue specific northern blot hybridisations and real time RT-PCR, respectively.  Secondly, metabolites (including inorganic ions) were investigated: Because gas chromatography-mass spectrometry does not reveal the sensitivity which in necessary for the analysis of even multiple pooled single cell samples capillary electrophoresis was applied for these studies. This method has a high potential as it needs only small amounts of starting material, has uncomparable low detection limits and exhibits a high number of theoretical plates. The analysis of inorganic anions and carbohydrates needs further optimisations. Using UV absorption-detection potassium could be detected in different cell types whereas the concentrations in mesophyll and epidermis were found around 25 mM each. These concentrations are lower than in other species as Solanum tuberosum or Hordeum vulgare. For investigations of amino acids the cell samples were derivatized to make the use of laser induced fluorescence-detection capable. In samples derived from pumpkin (Cucurbita maxima) mesophyll twelve amino acids could be detected and identified. The transfer of this method to A. thaliana derived samples exhibited no results which may be due to the low concentration of free amino acids in these plants. Finally, a method was developed with which the existence of known and unknown proteins in tissue specific samples could be monitored. For this, mechanical micro dissection was used to: After embedding and sectioning the tissue of interest was cut out by an vibrating steel chisel to get homogenous samples. The proteins contained in these tissue pieces were extracted and separated by one dimensional SDS polyacrylamid gel electrophoresis. Several protein bands could be detected after staining with either silver or coomassie blue stain. These bands were cut out and sequenced by mass spectrometry. The large subunit of rubisco as well as one chlorophyll binding protein could be identified as the major proteins within the mesophyll. The single cell analysis methods which were developed and applied to the model plant A. thaliana in this thesis allow a better spatial as well as temporal resolution of analysis. This will lead to a more detailed understanding of physiological processes like cell to cell communication, signalling or plant-pathogen interactions.
KW  - Einzelzellanalytik
KW  - minimal invasive Probennahme
KW  - Array Hybridisierung
KW  - RT-PCR
KW  - Kapillarelektrophorese
KW  - Fluoreszeinisothiocyanat
KW  - mechanische Mikrodis
KW  - single cell analysis
KW  - minimal invasive sampling
KW  - single cell sammpling and analysis (SCSA)
KW  - array hybridisation
KW  - RT-PCR
KW  - capillary electrophoresis
KW  - fl
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000410
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TY  - THES
A1  - Rätsch, Gunnar
T1  - Robust boosting via convex optimization
N2  - In dieser Arbeit werden statistische Lernprobleme betrachtet. Lernmaschinen extrahieren Informationen aus einer gegebenen Menge von Trainingsmustern, so daß sie in der Lage sind, Eigenschaften von bisher ungesehenen Mustern - z.B. eine Klassenzugehörigkeit - vorherzusagen. Wir betrachten den Fall, bei dem die resultierende Klassifikations- oder Regressionsregel aus einfachen Regeln - den Basishypothesen - zusammengesetzt ist. Die sogenannten Boosting Algorithmen erzeugen iterativ eine gewichtete Summe von Basishypothesen, die gut auf ungesehenen Mustern vorhersagen.  Die Arbeit behandelt folgende Sachverhalte:   o Die zur Analyse von Boosting-Methoden geeignete Statistische Lerntheorie. Wir studieren lerntheoretische Garantien zur Abschätzung der Vorhersagequalität auf ungesehenen Mustern. Kürzlich haben sich sogenannte Klassifikationstechniken mit großem Margin als ein praktisches Ergebnis dieser Theorie herausgestellt - insbesondere Boosting und Support-Vektor-Maschinen. Ein großer Margin impliziert eine hohe Vorhersagequalität der Entscheidungsregel. Deshalb wird analysiert, wie groß der Margin bei Boosting ist und ein verbesserter Algorithmus vorgeschlagen, der effizient Regeln mit maximalem Margin erzeugt.  o Was ist der Zusammenhang von Boosting und Techniken der konvexen Optimierung?  Um die Eigenschaften der entstehenden Klassifikations- oder Regressionsregeln zu analysieren, ist es sehr wichtig zu verstehen, ob und unter welchen Bedingungen iterative Algorithmen wie Boosting konvergieren. Wir zeigen, daß solche Algorithmen benutzt werden koennen, um sehr große Optimierungsprobleme mit Nebenbedingungen zu lösen, deren Lösung sich gut charakterisieren laesst. Dazu werden Verbindungen zum Wissenschaftsgebiet der konvexen Optimierung aufgezeigt und ausgenutzt, um Konvergenzgarantien für eine große Familie von Boosting-ähnlichen Algorithmen zu geben.  o Kann man Boosting robust gegenüber Meßfehlern und Ausreissern in den Daten machen?  Ein Problem bisheriger Boosting-Methoden ist die relativ hohe Sensitivität gegenüber Messungenauigkeiten und Meßfehlern in der Trainingsdatenmenge. Um dieses Problem zu beheben, wird die sogenannte 'Soft-Margin' Idee, die beim Support-Vector Lernen schon benutzt wird, auf Boosting übertragen. Das führt zu theoretisch gut motivierten, regularisierten Algorithmen, die ein hohes Maß an Robustheit aufweisen.  o Wie kann man die Anwendbarkeit von Boosting auf Regressionsprobleme erweitern?  Boosting-Methoden wurden ursprünglich für Klassifikationsprobleme entwickelt. Um die Anwendbarkeit auf Regressionsprobleme zu erweitern, werden die vorherigen Konvergenzresultate benutzt und neue Boosting-ähnliche Algorithmen zur Regression entwickelt. Wir zeigen, daß diese Algorithmen gute theoretische und praktische Eigenschaften haben.  o Ist Boosting praktisch anwendbar?  Die dargestellten theoretischen Ergebnisse werden begleitet von Simulationsergebnissen, entweder, um bestimmte Eigenschaften von Algorithmen zu illustrieren, oder um zu zeigen, daß sie in der Praxis tatsächlich gut funktionieren und direkt einsetzbar sind. Die praktische Relevanz der entwickelten Methoden wird in der Analyse chaotischer Zeitreihen und durch industrielle Anwendungen wie ein Stromverbrauch-Überwachungssystem und bei der Entwicklung neuer Medikamente illustriert.
N2  - In this work we consider statistical learning problems. A learning machine aims to extract information from a set of training examples such that it is able to predict the associated label on unseen examples. We consider the case where the resulting classification or regression rule is a combination of simple rules - also called base hypotheses. The so-called boosting algorithms iteratively find a weighted linear combination of base hypotheses that predict well on unseen data. We address the following issues:  o The statistical learning theory framework for analyzing boosting methods. We study learning theoretic guarantees on the prediction performance on unseen examples. Recently, large margin classification techniques emerged as a practical result of the theory of generalization, in particular Boosting and Support Vector Machines. A large margin implies a good generalization performance. Hence, we analyze how large the margins in boosting are and find an improved algorithm that is able to generate the maximum margin solution.  o How can boosting methods be related to mathematical optimization techniques? To analyze the properties of the resulting classification or regression rule, it is of high importance to understand whether and under which conditions boosting converges. We show that boosting can be used to solve large scale constrained optimization problems, whose solutions are well characterizable. To show this, we relate boosting methods to methods known from mathematical optimization, and derive convergence guarantees for a quite general family of boosting algorithms.  o How to make Boosting noise robust? One of the problems of current boosting techniques is that they are sensitive to noise in the training sample. In order to make boosting robust, we transfer the soft margin idea from support vector learning to boosting. We develop theoretically motivated regularized algorithms that exhibit a high noise robustness.  o How to adapt boosting to regression problems? Boosting methods are originally designed for classification problems. To extend the boosting idea to regression problems, we use the previous convergence results and relations to semi-infinite programming to design boosting-like algorithms for regression problems. We show that these leveraging algorithms have desirable theoretical and practical properties.  o Can boosting techniques be useful in practice? The presented theoretical results are guided by simulation results either to illustrate properties of the proposed algorithms or to show that they work well in practice. We report on successful applications in a non-intrusive power monitoring system, chaotic time series analysis and a drug discovery process.  --- Anmerkung: Der Autor ist Träger des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2001/2002.
KW  - Boosting
KW  - Klassifikation mit großem Margin
KW  - Support-Vector Lernen
KW  - Regression
KW  - Regularisierung
KW  - Mathematische Optimierung
KW  - Stromverbrauchüberwachung
KW  - Boosting
KW  - Large Margin Classification
KW  - Support Vectors
KW  - Regression
KW  - Regularization
KW  - Mathematical Optimization
KW  - Power Monitoring
KW  - Time Series Analysis
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000399
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TY  - THES
A1  - Schmoll, Jürgen
T1  - 3D-Spektrofotometrie extragalaktischer Emissionslinienobjekte
N2  - Populärwissenschaftlicher Abstract:   Bislang gibt es in der beobachtenden optischen Astronomie zwei verschiedene Herangehensweisen: Einerseits werden Objekte durch Kameras abbildend erfaßt, andererseits werden durch die wellenlängenabhängige Zerlegung ihres Lichtes Spektren gewonnen. Das Integral - Field - Verfahren ist eine relativ neue Technik, welche die genannten Beobachtungsmethoden vereint. Das Objektbild im Teleskopfokus wird in räumlich zerlegt und jedes Ortselement einem gemeinsamen Spektrografen zugeführt. Hierdurch wird das Objekt nicht nur zweidimensional räumlich erfaßt, sondern zusätzlich die spektrale Kompenente als dritte Dimension erhalten, weswegen das Verfahren auch als 3D-Methode bezeichnet wird. Anschaulich kann man sich das Datenresultat als eine Abbildung vorstellen, in der jeder einzelne Bildpunkt nicht mehr nur einen Intensitätswert enthält, sondern gleich ein ganzes Spektrum. Diese Technik ermöglicht es, ausgedehnte Objekte im Unterschied zu gängigen Spaltspektrografen komplett zu erfassen. Die besondere Stärke der Methode ist die Möglichkeit, die Hintergrundkontamination der unmittelbaren Umgebung des Objektes zu erfassen und in der Auswertung zu berücksichtigen. Durch diese Fähigkeit erscheint die 3D-Methode prädestiniert für den durch moderne Großteleskope erschlossenen Bereich der extragalaktischen Stellarastronomie. Die detaillierte Untersuchung aufgelöster stellare Populationen in nahegelegenen Galaxien ist erst seit kurzer Zeit dank der Fortschritte mit modernen Grossteleskopen und fortschrittlicher Instrumentierung möglich geworden. Wegen der Bedeutung für die Entstehung und Evolution von Galaxien werden diese Arbeiten zukünftig weiter an Bedeutung gewinnen.  In der vorliegenden Arbeit wurde die Integral-Field-Spektroskopie an zwei planetarischen Nebeln in der nächstgelegenen großen Spiralgalaxie M31 (NGC 224) getestet, deren Helligkeiten und Koordinaten aus einer Durchmusterung vorlagen. Hierzu wurden Beobachtungen mit dem MPFS-Instrument am russischen 6m - Teleskop in Selentschuk/Kaukasus sowie mit INTEGRAL/WYFFOS am englischen William-Herschel-Teleskop auf La Palma gewonnen. Ein überraschendes Ergebnis war, daß eins der beiden Objekte falsch klassifiziert wurde. Sowohl die meßbare räumliche Ausdehnung des Objektes als auch das spektrale Erscheinungsbild schlossen die Identität mit einem planetarischen Nebel aus. Mit hoher Wahrscheinlichkeit handelt es sich um einen Supernovaüberrest, zumal im Rahmen der Fehler an gleicher Stelle eine vom Röntgensatelliten ROSAT detektierte Röntgenquelle liegt.  Die in diesem Projekt verwendeten Integral-Field-Instrumente wiesen zwei verschiedene Bauweisen auf, die sich miteinander vergleichen ließen. Ein Hauptkritikpunkt der verwendeten Instrumente war ihre geringe Lichtausbeute. Die gesammelten Erfahrung fanden Eingang in das Konzept des derzeit in Potsdam in der Fertigung befindlichen 3D-Instruments PMAS (Potsdamer Multi - Apertur - Spektrophotometer), welcher zunächst für das 3.5m-Teleskop des Calar - Alto - Observatoriums in Südspanien vorgesehen ist. Um die Effizienz dieses Instrumentes zu verbessern, wurde in dieser Arbeit die Kopplung der zum Bildrasterung verwendeten Optik zu den Lichtleitfasern im Labor untersucht. Die Untersuchungen zur Maximierung von Lichtausbeute und Stabilität zeigen, daß sich die Effizienz durch Auswahl einer geeigneten Koppelmethode um etwa 20 Prozent steigern lässt.
N2  - Popular scientific abstract:   Currently there are two different approaches in the observational optical astronomy: On the first hand objects are imaged with cameras, on the other hand spectra are produced. The integral-field-technique is a relatively new way to combine both branches. The object image in the telecopes focus is sampled spatially and each spatial bin assigned to a spectrograph. Hence the object is not only sampled spatially but the spectral component is achieved as a third dimension, so the name 3D-Method. The result is like an image but each point consists of a whole spectrum. The use of this technique is to sample objects completely in contrast to standard slit spectroscopy. The strength of this method is to deal with high background light contamination. So the 3D method looks convincing for the new branch of extragalactic stellar astronomy with modern large telescopes. The detailled investigation of spatially resolved extragalactic populations in nearby galaxies is a rather new topic demanding newest telescopes and instrumentation. These investigations are very important in future to understand the origin and evolution of galaxies.  In this thesis the Integral-Field-Spectroscopy was tested for two planetary nebulae in the Andromeda galaxy M31. Observations have been made using the MPFS on the Russian 6m telescope and the INTEGRAL/WYFFOS setup on the 4.2m WHT on La Palma. A surprising result was that one of the two objects was wrongly identified as a planetary nebula. The spatial extension and spectral details excluded this object class. With high probability this object is a supernova remnant.  The integral-field-instruments used in this thesis had different technical layouts, which were to compare to each other. The main critics is the poor efficiency of both devices. The experience made was utilized to optimize the concept of the recently developed 3D-instrument PMAS (Potsdam Multi- Aperture Spectrophotometer). PMAS will be used for the 3.5 m telescope at the Calar Alto observatory. To improve efficiency, the coupling of the optical fibers used to sample the object and guide the light into the spectrograph was optimized in the laboratory. This investigations showed that an increase of the coupling efficiency by about 20 percent is possible by using immersion coupling between fibers and lenses.
KW  - Ortsauflösende Spektrofotometrie
KW  - extragalaktische Stellarastronomie
KW  - Integral field spectroscopy
KW  - extragalactic stellar astronomy
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000372
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TY  - THES
A1  - Topaj, Dmitri
T1  - Synchronization transitions in complex systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung generischer Synchronisierungsphänomene in interagierenden komplexen Systemen. Diese Phänomene werden u.a. in gekoppelten deterministischen chaotischen Systemen beobachtet. Bei sehr schwachen Interaktionen zwischen individuellen Systemen kann ein Übergang zum schwach kohärenten Verhalten der Systeme stattfinden. In gekoppelten zeitkontinuierlichen chaotischen Systemen manifestiert sich dieser Übergang durch den Effekt der Phasensynchronisierung, in gekoppelten chaotischen zeitdiskreten Systemen durch den Effekt eines nichtverschwindenden makroskopischen Feldes. Der Übergang zur Kohärenz in einer Kette lokal gekoppelter Oszillatoren, beschrieben durch Phasengleichungen, wird im Bezug auf die Symmetrien des Systems untersucht. Es wird gezeigt, daß die durch die Symmetrien verursachte Reversibilität des Systems nichttriviale topologische Eigenschaften der Trajektorien bedingt, so daß das als dissipativ konstruierte System in einem ganzen Parameterbereich quasi-Hamiltonische Züge aufweist, d.h. das Phasenvolumen ist im Schnitt erhalten, und die Lyapunov-Exponenten sind paarweise symmetrisch. Der Übergang zur Kohärenz in einem Ensemble global gekoppelter chaotischer Abbildungen wird durch den Verlust der Stabilität des entkoppelten Zustandes beschrieben. Die entwickelte Methode besteht darin, die Selbstkonsistenz des makroskopischen Feldes aufzuheben, und das Ensemble in Analogie mit einem Verstärkerschaltkreis mit Rückkopplung durch eine komplexe lineare Übertragungssfunktion zu charakterisieren. Diese Theorie wird anschließend für einige theoretisch interessanten Fälle verallgemeinert.
N2  - Subject of this work is the investigation of generic synchronization phenomena in interacting complex systems. These phenomena are observed, among all, in coupled deterministic chaotic systems. At very weak interactions between individual systems a transition to a weakly coherent behavior of the systems can take place. In coupled continuous time chaotic systems this transition manifests itself with the effect of phase synchronization, in coupled chaotic discrete time systems with the effect of non-vanishing macroscopic mean field. Transition to coherence in a chain of locally coupled oscillators described with phase equations is investigated with respect to the symmetries in the system. It is shown that the reversibility of the system caused by these symmetries results to non-trivial topological properties of trajectories so that the system constructed to be dissipative reveals in a whole parameter range quasi-Hamiltonian features, i.e. the phase volume is conserved on average and Lyapunov exponents come in symmetric pairs. Transition to coherence in an ensemble of globally coupled chaotic maps is described with the loss of stability of the disordered state. The method is to break the self-consistensy of the macroscopic field and to characterize the ensemble in analogy to an amplifier circuit with feedback with a complex linear transfer function. This theory is then generalized for several cases of theoretic interest.
KW  - Synchronisierung
KW  - komplex
KW  - System
KW  - komplexe Systeme
KW  - gekoppelt
KW  - chaotisch
KW  - Chaos
KW  - Interaktion
KW  - Übergang
KW  - P hasensynchronisierung
KW  - Phase
KW  - Feld
KW  - Effekt
KW  - synchronization
KW  - complex
KW  - system
KW  - complex systems
KW  - coupled
KW  - chaotic
KW  - chaos
KW  - interaction
KW  - transition
KW  - phase
KW  - phase synchronization
KW  - field
KW  - meanfield
KW  - o
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000367
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TY  - THES
A1  - Ma, Lan
T1  - Mercaptursäure und Nukleosidaddukt im Harn als Biomarker in 1-Hydroxymethylpyren-exponierten Ratten
N2  - 1-Methylpyren (MP) ist hepatokanzerogen in neugeborenen männlichen Mäusen. Durch Hydroxylierung an der benzylischen Stelle und anschließende Sulfonierung wird MP zu DNA-reaktivem 1-Sulfooxymethylpyren (SMP) aktiviert. In der Ratte führt die Exposition des benzylischen Alkohols, 1-Hydroxymethylpyren (HMP), zur DNA-Adduktbildung in verschiedenen Geweben. Eventuelle Konsequenz der Toxifizierung ist die Ausscheidung entsprechender Mercaptursäure und Nukleosidaddukt im Harn, welche aufgrund ihrer Herkunft als Biomarker eignen könnten. In dieser Arbeit wird die Ausscheidung der Mercaptursäure und des N2-Desoxyguanosinadduktes in HMP-exponierten Ratten untersucht.  Nach der Applikation von HMP bzw. MP wurden weniger als 1 % der Dosis als MPMA über Urin und Faeces ausgeschieden (0 - 48 h). Die Ausscheidung erfolgt hauptsächlich in den ersten 24 h nach der Applikation. MPdG konnte weder in Urin noch in Faeces der HMP-behandelten Tieren identifiziert werden. Nach direkter SMP-Applikation wurde MPdG nur in sehr geringe Menge (weniger als 0,9 ppm in 12 h) im Urin gefunden.  Aufgrund der geringen Menge eignet sich MPdG nicht als Biomarker. MPMA dagegen, lässt sich analytisch gut erfassen. Es sollte daher untersucht werden, ob MPMA die Toxifizierung des HMP wiederspiegelt. Die Voraussetzung dafür ist die Kenntnisse über das Metabolismusmuster von HMP.  Es wurde daher umfassende Untersuchungen zum Metabolismus des HMP durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass mehr als 80 % der Metaboiten in ihrer oxidierten Form (PCS, deren Glucuronsäure-Konjugate sowie phenolische Sulfatester der PCS) ausgeschieden wurden. Demnach spielt die Oxidation des HMP zu PCS eine sehr wichtige Rolle bei der Detoxifizierung und Ausscheidung von HMP. Ferne konnte nachgewiesen werden, dass die Enzyme Alkohol- und Aldehyd-Dehydrogenase an der Oxidation von HMP beteiligt waren. Die Inhibitoren Disulfiram und Ethanol der o. g. Enzyme wurde daher zur Modulation der Detoxifizierung in vivo eingesetzt. Die Veränderungen in der Toxifizierung von HMP zu SMP wurden durch die SMP-Konzentration im Plasma, die DNA-Addukthäufigkeit und die MPMA-Ausscheidung erfasst. Die Vorbehandlung von Disulfiram und Ethanol führte zu tendentielle Erhöhung der SMP-Konzentration im Plasma, DNA-Addukthäufigkeit in der Leber und die MPMA-Ausscheidung. Bemerkenswert ist jedoch, dass bereits eine Dosis von 0,2 g Ethanol/kg Körpermasse bereits zu statistisch signifikanten Erhöhungen der MPMA-Ausscheidung bei weiblichen Ratten.
N2  - 1-Methylpyrene is hepatocarcinogenic in rodents. It is metabolized primarily to 1-hydroxymethylpyrene (HMP) by various cDNA-expressed rat and human cytochromes P450. HMP is activated to a highly reactive sulfuric acid ester, 1-sulfooxymethylpyrene (SMP), by sulphotransferases. In the rat, this activation pathway leads to the formation of DNA adducts in various tissues. Possible consequences of the toxification could be the excretion of the corresponding mercapturic acid and nucleosidadduct in urine and feces. Because of their origin, these substances should reflex the toxification process may be used as biomarkers. We investigate the excretion of 1-methylpyrenyl-mercapturic acid (MPMA) and the excretion of N2-(1-methylpyrenyl)-desoxyguanosin (MPdG) in urine and feces of HMP-treated rats. These studies showed that only a minor portion (< 1 %) of the administered dose of 1-HMP was excreted as mercapturic acid. MPdG could not be identified in urine and feces of HMP-treated rats. Treating rats with the active spieces sulfooxymethylpyrene, 0.9 ppm of the dose was found excreted within 12 h. I now investigated the alternative metabolic pathways of HMP. More than 50 % of the dose (administered intraperitoneally) was excreted as free 1-pyrenyl carboxylic acid and its glucuronic acid conjugate primarily in the urine. Other major urinary metabolites were phenolic sulpho conjugates of ring-oxidized 1-pyrenyl carboxylic acid (> 30 %). Minor metabolites were phenolic sulpho conjugates of HMP (< 5 %). The glucuronic acid conjugate of HMP was found in very small amounts. In total, > 80 % of the metabolites excreted were oxidized at the exocyclic carbon. This side-chain oxidation, probably catalyzed by alcohol and aldehyde dehydrogenases, appears to represent a detoxification pathway. Indeed, administration of ethanol shortly before the administration of HMP to rats increased the levels of SMP detected in blood, of DNA adducts formed in tissues and of mercapturic acid excreted. These effects were observed even at very low dose levels of ethanol (0.2 g per kg body weight). Similar effects were shown after administration of Disulfiram, an inhibitor of aldehyde dehydrogenase.
KW  - 1-Hydroxymethylpyren
KW  - Metabolismus
KW  - Mercaptursäure
KW  - Nukleosidaddukt
KW  - Ethanol
KW  - Biomarker
KW  - 1-hydroxymethylpyrene
KW  - metablism
KW  - mercapturic acid
KW  - nucleosidadduct
KW  - ethanol
KW  - biomarker
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000351
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TY  - THES
A1  - Möseneder, Jutta M.
T1  - Effekt einer ad libitum verzehrten fettreduzierten Kost, reich an Obst, Gemüse und Milchprodukten auf den Blutdruck bei Borderline-Hypertonikern
N2  - In der randomisierten, multizentrischen DASH-Studie (Dietary Approaches to Stop Hy-pertension), die unter kontrollierten Bedingungen stattfand, führte eine fettreduzierte Mischkost, reich an Obst, Gemüse und Milchprodukten, bei Borderline-Hypertonikern zu einer signifikanten Blutdrucksenkung. Während der Studienphase wurden Körpermasse, Natrium-Aufnahme sowie Alkoholzufuhr aufgrund der bekannten Einflussnahme auf den Blutdruck konstant gehalten. In der eigenen Pilot-Studie sollte untersucht werden, ob das Ergebnis der DASH-Studie (i) mit deutschen Hypertonikern und (ii) unter habituellen Ernährungs- und Lebensbedingungen mit regelmäßig durchgeführter Ernährungsberatung und ad libitum Verzehr anstelle des streng kontrollierten Studienansatzes bestätigt werden kann. Eine Konstanz der Körpermasse, der Natrium-Urinausscheidung (unter diesem Studienansatz valider als die Aufnahme) und des Alkoholkonsums wurde vorausgesetzt. Die Studienpopulation setzte sich aus 53 übergewichtigen Probanden mit einer nicht medikamentös therapierten Borderline-Hypertonie und ohne Stoffwechselerkrankungen zusammen. Die Studienteilnehmer wurden randomisiert entweder der Idealgruppe mit einer fettarmen Kost reich an Milchprodukten, Obst und Gemüse (ähnlich der DASH-Idealgruppe) oder der Kontrollgruppe mit habitueller Ernährungsweise zugeteilt. Über einen Zeitraum von fünf Wochen wurde den Probanden etwa 50% ihres täglichen Lebensmittelbedarfes entsprechend ihrer Gruppenzugehörigkeit kostenfrei zur Verfügung gestellt. Gelegenheitsblutdruckmessungen und 24h-Blutdruckmessungen, Ernährungs- und Aktivitätsprotokolle, Blut- und Urinproben sowie anthropometrische Messungen wurden vor, während und fünf Wochen nach der Interventionsphase durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass in der Idealgruppe keine signifikante Blutdrucksenkung beobachtet werden konnte. Dies lässt sich durch die Tatsache erklären, dass die Lebens-mittel- und Nährstoffaufnahme der deutschen Kontrollgruppe eher der amerikanischen Idealgruppe entsprach. In der Pilot-Studie waren die Unterschiede in der Nährstoffzufuhr zwischen den beiden Gruppen viel geringer als in der DASH-Studie; für eine blutdrucksenkende Ernährungsumstellung bestand somit nur ein geringer Spielraum. Eine weitere Erklärung besteht in der unterschiedlichen Zusammensetzung der Studienpopulation. Bei DASH wurden vorwiegend farbige Probanden (40% höhere Hypertonieprävalenz) untersucht. Die Studienergebnisse lassen also den Schluss zu, dass Ernährungs- und Lebensstilgewohnheiten sowie der genetische Hintergrund der entsprechenden Bevölkerungsgruppe bei der Formulierung von nährstoff- oder lebensmittelbezogenen Empfehlungen zur Senkung des Bluthochdruckes Berücksichtigung finden müssen.
N2  - The Dietary Approaches to Stop Hypertension trial (DASH), a randomized well-controlled feeding study conducted at 4 medical centers, demonstrated that a low-fat diet, rich in fruits, vegetables and dairy products is able to lower blood pressure of borderline-hypertensive people significantly. Body weight, sodium intake and alcohol consumption were kept constant during the whole study period, due to the known influence on hypertension. Aim of our study project was to investigate whether the results of the DASH study can be confirmed by (i) using a German hypertensive population and (ii) replacing the well-controlled feeding design by allowing ad libitum intake according to dietary ad-vice. The participants were asked to keep their body weight, sodium urine excretion (un-der this study design more valid than sodium intake) and their alcohol consumption con-stant. Our pilot study population consisted of 53 mainly overweight participants with borderline hypertension and without medication or any metabolic disorders. They were randomly assigned to either an ideal diet low in fat and rich in dairy products, fruits and vegetables (similar to the DASH I-group) or a habitual diet as control (C-group). During five weeks the subjects were provided 50 % of their daily intake for free according to their dietary pattern. Single and 24h-blood pressure measurements, dietary weighed and physical activity records, blood and urine samples and anthropometric measurements were collected before, during and five weeks after the intervention period. The study results indicated that no significantly reduction of blood pressure could be observed for both methods in the I-group of our trial. This is due to the fact that the baseline intake of foods and nutrients of the German subjects was nearly corresponding to the intake targeted for the DASH I-group. Therefore, it was impossible to increase the intake of these nutrients in our I-group by the same percentage as in the DASH study. Another explanation may be the different consistency of the study population. About 60% of the DASH study population were African Americans with a known higher prevalence of hy-pertension (about 40%) than Caucasians. The conclusion is that even convincing results of a controlled trial cannot be simply transferred into dietary advice for the general public. For addressing food-based dietary guidelines to reduce the risk of hypertension it is necessary to consider the genetic background as well as the dietary and the lifestyle situation of the target population carefully.
KW  - Hypertonie
KW  - Ernährungsfaktoren
KW  - Pilot-Studie
KW  - DASH-Studie
KW  - ad libitum-Verzehr
KW  - Hypertension
KW  - nutrients
KW  - pilot study
KW  - DASH study
KW  - ad libitum consumption
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000345
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TY  - THES
A1  - Vorndran, Katja Marianne
T1  - Einfache Decarbonylierungen und stereoselektive Oxidationen von Cyclohexadienen und Cyclohexenen
N2  - Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit das Synthesepotential von Cyclohexadienen und Cyclohexenen deutlich erweitert werden. Die Darstellung der 1-Alkylcyclohexa-2,5-dien-1-carbonsäuren erfolgte mittels Birch-Reduktion in flüssigem Ammoniak und anschließender Umsetzung der intermediär entstehenden Dianionen mit Alkylhalogeniden. So konnte ausgehend von verschiedenen Benzoesäurederivaten eine Reihe interessanter Cyclohexadiene in sehr guten Ausbeuten synthetisiert werden. Erstmals gelangen säurekatalysierte Decarbonylierungen von Cyclohexadiencarbonsäuren, was die einfache Synthese substituierter Aromaten in ausgezeichneten Ausbeuten ermöglichte. In dieser Arbeit wird der Reaktionsmechanismus vorgestellt, welcher durch den Nachweis von Kohlenmonoxid in der Gasphase der Reaktionslösung durch IR-Spektroskopie untermauert wird. Bei der säurekatalysierten Umsetzung von 3-alkylsubstituierten Cyclohexadien-carbonsäuren entstanden neben den erwarteten Aromaten Lactone in ca. 50% Ausbeute. Schließlich zeigen die untersuchten Singulettsauerstoff-En-Reaktionen, der im ersten Teil dargestellten Cyclohexadiene und Lactone, durchweg hohe Regioselektivitäten und lieferten durch elektrostatische Wechselwirkungen und konformative Effekte zum Teil sehr gute Diastereoselektivitäten. Die auxiliarkontrollierte Photooxygenierungen von Cyclohexenon welches mit verschiedenen Weinsäureestern ketalisiert wurde, zeigten jedoch keine bevorzugte p-Facialität des Singulettsauerstoffs.
N2  - In this dissertation thesis it was possible to extend the synthetical potential of cyclohexadienes and cyclohexenes with partially newly developed and very efficient synthetic pathways. The alkylcyclohexadiene carboxylic acids were synthesized in good yields via well known Birch-reduction procedure in liquid ammonia from a broad variety of substituted benzoic acid derivatives. A wide range of alkylhalides were subsequently added to the resulting dianion. We were able to decarbonylize the cyclohexadienes through acid catalyses, which leads to ipso-substituted aromatics in excellent yields. The study presents the postulated mechanism, which is supported by the proof of carbon monoxide in the gas phase of the reactionmixture with IR-spectroscopy. When 3-alkylsubstituted cyclohexadiene carboxylic acids were subjected to the acid catalyses they gave lactones in up to 50% yield as side products of the aromatization product.The cyclohexadienes and lactones were used as substrates in singlet oxygen-en-reactions with photochemically induced singulet oxygen. The products showed high regioselectivitiy and partially high diastereoselectivity which is caused by electrostatic interaction and conformativ effects of the reaction intermediates. Experiments to induce auxiliary controlled photooxygenations of cyclohexenones, which were ketalysed with different chiral tartaric acid esters leaded to poor diastereoselectivity and a diverse mixture of isomers.
KW  - Cyclohexadienderivate ; Chemische Synthese ; Birch-Reduktion ; Decarbonylierung | Cyclohexadienderivate ; Photooxidation ; Stereoselektive Reaktion ;
KW  - Decarbonylierung
KW  - Birch-Reduktion
KW  - Photooxygenierung
KW  - Singulettsauerstoff
KW  - Cyclohexadien
KW  - Decarbonylation
KW  - Birch-Reduction
KW  - Photooxygenation
KW  - Singletoxygen
KW  - Cylcohexadiene
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000331
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahlers, Volker
T1  - Scaling and synchronization in deterministic and stochastic nonlinear dynamical systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse.   Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden.   Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.  Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation).
N2  - Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes.   First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations.   Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations.   Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Chaostheorie
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Synchronisation
KW  - nonlinear dynamics
KW  - chaos
KW  - stochastic processes
KW  - synchronization
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000320
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ohrnberger, Matthias
T1  - Continuous automatic classification of seismic signals of volcanic origin at Mt. Merapi, Java, Indonesia
N2  - Aufgrund seiner nahezu kontinuierlichen eruptiven Aktivität zählt der Merapi zu den gefährlichsten Vulkanen der Welt. Der Merapi befindet sich im Zentralteil der dicht bevölkerten Insel Java (Indonesien). Selbst kleinere Ausbrüche des Merapi stellen deswegen eine große Gefahr für die ansässige Bevölkerung in der Umgebung des Vulkans dar. Die am Merapi beobachtete enge Korrelation zwischen seismischer und vulkanischer Aktivität erlaubt es, mit Hilfe der Überwachung der seismischen Aktivität Veränderungen des Aktivitätszustandes des Merapi zu erkennen. Ein System zur automatischen Detektion und Klassifizierung seismischer Ereignisse liefert einen wichtigen Beitrag für die schnelle Analyse der seismischen Aktivität. Im Falle eines bevorstehenden Ausbruchszyklus bedeutet dies ein wichtiges Hilfsmittel für die vor Ort ansässigen Wissenschaftler. In der vorliegenden Arbeit wird ein Mustererkennungsverfahren verwendet, um die Detektion und Klassifizierung seismischer Signale vulkanischen Urprunges aus den kontinuierlich aufgezeichneten Daten in Echtzeit zu bewerkstelligen. Der hier verwendete A nsatz der hidden Markov Modelle (HMM) wird motiviert durch die große Ähnlichkeit von seismischen Signalen vulkanischen Ursprunges und Sprachaufzeichnungen und den großen Erfolg, den HMM-basierte Erkennungssysteme in der automatischen Spracherkennung erlangt haben.  Für eine erfolgreiche Implementierung eines Mustererkennungssytems ist es notwendig, eine geeignete Parametrisierung der Rohdaten vorzunehmen. Basierend auf den Erfahrungswerten seismologischer Observatorien wird ein Vorgehen zur Parametrisierung des seismischen Wellenfeldes auf Grundlage von robusten Analyseverfahren vorgeschlagen. Die Wellenfeldparameter werden pro Zeitschritt in einen reell-wertigen Mustervektor zusammengefasst. Die aus diesen Mustervektoren gebildete Zeitreihe ist dann Gegenstand des HMM-basierten Erkennungssystems. Um diskrete hidden Markov Modelle (DHMM) verwenden zu können, werden die Mustervektoren durch eine lineare Transformation und nachgeschaltete Vektor Quantisierung in eine diskrete Symbolsequenz überführt. Als Klassifikator kommt eine Maximum-Likelihood Testfunktion zwischen dieser Sequenz und den, in einem überwachten Lernverfahren trainierten, DHMMs zum Einsatz. Die am Merapi kontinuierlich aufgezeichneten seismischen Daten im Zeitraum vom 01.07. und 05.07.1998 sind besonders für einen Test dieses Klassifikationssystems geeignet. In dieser Zeit zeigte der Merapi einen rapiden Anstieg der Seismizität kurz bevor dem Auftreten zweier Eruptionen am 10.07. und 19.07.1998. Drei der bekannten, vom Vulkanologischen Dienst in Indonesien beschriebenen, seimischen Signalklassen konnten in diesem Zeitraum beobachtet werden. Es handelt sich hierbei um flache vulkanisch-tektonische Beben (VTB, h < 2.5 km), um sogenannte MP-Ereignisse, die in direktem Zusammenhang mit dem Wachstum des aktiven Lavadoms gebracht werden, und um seismische Ereignisse, die durch Gesteinslawinen erzeugt werden (lokaler Name: Guguran). Die spezielle Geometrie des digitalen seismischen Netzwerkes am Merapi besteht aus einer Kombination von drei Mini-Arrays an den Flanken des Merapi. Für die Parametrisierung des Wellenfeldes werden deswegen seismische Array-Verfahren eingesetzt. Die individuellen Wellenfeld Parameter wurden hinsichtlich ihrer Relevanz für den Klassifikationsprozess detailliert analysiert. Für jede der drei Signalklassen wurde ein Satz von DHMMs trainiert. Zusätzlich wurden als Ausschlussklassen noch zwei Gruppen von Noise-Modellen unterschieden. Insgesamt konnte mit diesem Ansatz eine Erkennungsrate von 67 % erreicht werden. Im Mittel erzeugte das automatische Klassifizierungssystem 41 Fehlalarme pro Tag und Klasse. Die Güte der Klassifikationsergebnisse zeigt starke Variationen zwischen den individuellen Signalklassen. Flache vulkanisch-tektonische Beben (VTB) zeigen sehr ausgeprägte Wellenfeldeigenschaften und, zumindest im untersuchten Zeitraum, sehr stabile Zeitmuster der individuellen Wellenfeldparameter. Das DHMM-basierte Klassifizierungssystem erlaubte für diesen Ereignistyp nahezu 89% richtige Entscheidungen und erzeugte im Mittel 2 Fehlalarme pro Tag. Ereignisse der Klassen MP und Guguran sind mit dem automatischen System schwieriger zu erkennen. 64% aller MP-Ereignisse und 74% aller Guguran-Ereignisse wurden korrekt erkannt. Im Mittel kam es bei MP-Ereignissen zu 87 Fehlalarmen und bei Guguran Ereignissen zu 33 Fehlalarmen pro Tag. Eine Vielzahl der Fehlalarme und nicht detektierten Ereignisse entstehen jedoch durch eine Verwechslung dieser beiden Signalklassen im automatischen Erkennnungsprozess. Dieses Ergebnis konnte aufgrund der ähnlichen Wellenfeldeigenschaften beider Signalklassen erklärt werden, deren Ursache vermutlich in den bekannt starken Einflüssen des Mediums entlang des Wellenausbreitungsweges in vulkanischen Gebieten liegen.  Insgesamt ist die Erkennungsleistung des entwickelten automatischen Klassifizierungssystems als sehr vielversprechend einzustufen. Im Gegensatz zu Standardverfahren, bei denen in der Seismologie üblicherweise nur der Startzeitpunkt eines seismischen Ereignisses detektiert wird, werden in dem untersuchten Verfahren seismische Ereignisse in ihrer Gesamtheit erfasst und zudem im selben Schritt bereits klassifiziert.
N2  - Merapi volcano is one of the most active and dangerous volcanoes of the earth. Located in central part of Java island (Indonesia), even a moderate eruption of Merapi poses a high risk to the highly populated area. Due to the close relationship between the volcanic unrest and the occurrence of seismic events at Mt. Merapi, the monitoring of Merapi's seismicity plays an important role for recognizing major changes in the volcanic activity. An automatic seismic event detection and classification system, which is capable to characterize the actual seismic activity in near real-time, is an important tool which allows the scientists in charge to take immediate decisions during a volcanic crisis.  In order to accomplish the task of detecting and classifying volcano-seismic signals automatically in the continuous data streams, a pattern recognition approach has been used. It is based on the method of hidden Markov models (HMM), a technique, which has proven to provide high recognition rates at high confidence levels in classification tasks of similar complexity (e.g. speech recognition). Any pattern recognition system relies on the appropriate representation of the input data in order to allow a reasonable class-decision by means of a mathematical test function. Based on the experiences from seismological observatory practice, a parametrization scheme of the seismic waveform data is derived using robust seismological analysis techniques. The wavefield parameters are summarized into a real-valued feature vector per time step. The time series of this feature vector build the basis for the HMM-based classification system. In order to make use of discrete hidden Markov (DHMM) techniques, the feature vectors are further processed by applying a de-correlating and prewhitening transformation and additional vector quantization. The seismic wavefield is finally represented as a discrete symbol sequence with a finite alphabet. This sequence is subject to a maximum likelihood test against the discrete hidden Markov models, learned from a representative set of training sequences for each seismic event type of interest. A time period from July, 1st to July, 5th, 1998 of rapidly increasing seismic activity prior to the eruptive cycle between July, 10th and July, 19th, 1998 at Merapi volcano is selected for evaluating the performance of this classification approach. Three distinct types of seismic events according to the established classification scheme of the Volcanological Survey of Indonesia (VSI) have been observed during this time period. Shallow volcano-tectonic events VTB (h < 2.5 km), very shallow dome-growth related seismic events MP (h < 1 km) and seismic signals connected to rockfall activity originating from the active lava dome, termed Guguran. The special configuration of the digital seismic station network at Merapi volcano, a combination of small-aperture array deployments surrounding Merapi's summit region, allows the use of array methods to parametrize the continuously recorded seismic wavefield. The individual signal parameters are analyzed to determine their relevance for the discrimination of seismic event classes. For each of the three observed event types a set of DHMMs has been trained using a selected set of seismic events with varying signal to noise ratios and signal durations. Additionally, two sets of discrete hidden Markov models have been derived for the seismic noise, incorporating the fact, that the wavefield properties of the ambient vibrations differ considerably during working hours and night time.  A total recognition accuracy of 67% is obtained. The mean false alarm (FA) rate can be given by 41 FA/class/day. However, variations in the recognition capabilities for the individual seismic event classes are significant. Shallow volcano-tectonic signals (VTB) show very distinct wavefield properties and (at least in the selected time period) a stable time pattern of wavefield attributes. The DHMM-based classification performs therefore best for VTB-type events, with almost 89% recognition accuracy and 2 FA/day.  Seismic signals of the MP- and Guguran-classes are more difficult to detect and classify. Around 64% of MP-events and 74% of Guguran signals are recognized correctly. The average false alarm rate for MP-events is 87 FA/day, whereas for Guguran signals 33 FA/day are obtained. However, the majority of missed events and false alarms for both MP and Guguran events are due to confusion errors between these two event classes in the recognition process.  The confusion of MP and Guguran events is interpreted as being a consequence of the selected parametrization approach for the continuous seismic data streams. The observed patterns of the analyzed wavefield attributes for MP and Guguran events show a significant amount of similarity, thus providing not sufficient discriminative information for the numerical classification. The similarity of wavefield parameters obtained for seismic events of MP and Guguran type reflect the commonly observed dominance of path effects on the seismic wave propagation in volcanic environments. The recognition rates obtained for the five-day period of increasing seismicity show, that the presented DHMM-based automatic classification system is a promising approach for the difficult task of classifying volcano-seismic signals. Compared to standard signal detection algorithms, the most significant advantage of the discussed technique is, that the entire seismogram is detected and classified in a single step.
KW  - volcanic seismology
KW  - Merapi
KW  - monitoring
KW  - classification
KW  - pattern recognition
KW  - Hidden Markov Model (HMM)
KW  - Seismic Array Methods
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000028
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meyer-Aurich, Andreas
T1  - Entwicklung von umwelt- und naturschutzgerechten Verfahren der landwirtschaftlichen Landnutzung für das Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin
N2  - Mit der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch Chancen und Grenzen der Integration von Umwelt- und Naturschutz in Verfahren der ackerbaulichen Landnutzung aufgezeigt. Die Umsetzung von Zielen des Umwelt- und Naturschutzes in Verfahren der Landnutzung ist mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden. Diese liegen zum einen in der Konkretisierung der Ziele, um diese umsetzen zu können, zum anderen in vielfach unzulänglichem Wissen über den Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Formen der Landnutzung und insbesondere den biotischen Naturschutzzielen. Zunächst wird die Problematik der Zielfestlegung und Konkretisierung erörtert. Das Umweltqualitätszielkonzept von Fürst et al. (1992) stellt einen Versuch dar, Ziele des Umwelt- und Naturschutzes zu konkretisieren. Dieses Konzept haben Heidt et al. (1997) auf einen Landschaftsausschnitt von ca. 6000 ha im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin im Nordosten Brandenburgs angewendet. Eine Auswahl der von Heidt et al. (1997) formulierten Umweltqualitätsziele bildet die Basis dieser Arbeit.  Für die ausgewählten Umweltqualitätsziele wurden wesentliche Einflussfaktoren der Landnutzung identifiziert und ein Bewertungssystem entwickelt, mit dem die Auswirkungen von landwirtschaftlichen Anbauverfahren auf diese Umweltqualitätsziele abgebildet werden können. Die praktizierte Landnutzung von 20 Betrieben im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin wurde von 1994 bis 1997 hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Umweltqualitätsziele analysiert. Die Analyse ergab ein sehr differenziertes Bild, das zum Teil Unterschiede in der Auswirkung auf die Umweltqualitätsziele für den Anbau einzelner Kulturen oder für bestimmte Betriebstypen zeigte. Es zeigte sich aber auch, dass es bei der Gestaltung des Anbaus einzelner Kulturarten große Unterschiede gab, die für Umweltqualitätsziele Bedeutung haben. Neben der Analyse der Landnutzung im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin wurde ein System entwickelt, mit dem die modellhafte Abbildung von Verfahren der Landnutzung möglich ist. Die Modellverfahren wurden in eine umfangreiche Datenbank eingebunden. Sie wurden mit Hilfe eines Fuzzy- Regelsystems hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Umweltqualitätsziele bewertet.  Die systematisch bewerteten Verfahren wurden in ein Betriebsmodell integriert, womit eine weitergehende Analyse der Zielbeziehungen und die Berechnung von Szenarien mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen ermöglicht wurde. Die Analyse der Beziehung verschiedener Ziele zueinander (Zieldivergenz, Zielkonvergenz) zeigte, dass sich mit der Verfolgung vieler Umweltqualitätsziele auch positive Effekte für andere Umweltqualitätsziele ergaben. Teilweise konnte allerdings auch eine Zieldivergenz festgestellt werden, die auf mögliche Zielkonflikte hinweist.  Bei der Analyse der Szenarienergebnisse zeigte sich, dass die vorgeschlagenen Veränderungen von Rahmenbedingungen vielfach eine Verschlechterung für verschiedene Umweltqualitätsziele mit sich bringen. Eine Ursache dafür liegt darin, dass bei der Definition der Szenarien die Bedeutung der Stilllegungen unterschätzt wurde.
N2  - The objective of this research was to show the opportunities and limitations associated with integrating of environmental goals into agricultural land use management. For this purpose, the impact of agricultural land uses on six environmental quality goals was analysed for an approximately 16.000 ha study region within the biosphere reserve Schorfheide-Chorin in north-eastern Brandenburg (Germany). The environmental quality goals considered were protection of ground water, preservation of groundwater recharge, protection of the soil against wind and water erosion and preservation of animal species typical of the agricultural landscape, in particular partridge, amphibians and cranes. For each environmental quality goal, an evaluation framework is presented which enables an assessment of the impact of agricultural land uses on the environmental quality goals.  The evaluation framework was applied to assess the impact of land uses of twenty farms in the study area from 1994 to 1997. It was demonstrated that the impact of agricultural land uses on the environmental quality of the region is very complex, and - although some crops did significantly impact certain aspects, one factor did not overwhelmingly contribute to the overall environmental quality.  The evaluation framework was integrated further into a system of modelled cropping practices for optimisation calculations. For this purpose, a model framework was established based on a MS Access database. In the database, cropping practices for 17 crops are stored. Inputs and yields are adapted to the site-specific yield potential. In addition to the cropping practices, the model framework is comprised of an evaluation module and optimisation module. Hence, the impact of the cropping practices can be assessed for each site. This model framework provides the basis for optimisation calculations to forecast various land uses under different conditions. A step-wise integration of the environmental quality goals into the optimisation algorithm of a model farm allows for showing trade-offs between economic and ecological goals. The results of the trade-offs show that an improvement of ecological goal achievement is possible with little impact on the gross margin, as long as the improvement is less than 30% of the starting situation. If improvements greater than 30% are desired, very high losses of gross margin must be taken into consideration. Another result of the calculations shows that high achievements of environmental quality goals often correlate with the percentage of set-aside land within the total area.
KW  - umweltgerechte Landwirtschaft
KW  - Naturschutz
KW  - Bewertungssystem
Y1  - 1999
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000016
ER  -