TY  - THES
A1  - Ahmad, Nadeem
T1  - People centered HMI’s for deaf and functionally illiterate users
T1  - Menschen zentrierte Mensch-Maschine-Schnittstellen für Schwerhörige und ungeschulte Anwender
N2  - The objective and motivation behind this research is to provide applications with easy-to-use interfaces to communities of deaf and functionally illiterate users, which enables them to work without any human assistance. Although recent years have witnessed technological advancements, the availability of technology does not ensure accessibility to information and communication technologies (ICT). Extensive use of text from menus to document contents means that deaf or functionally illiterate can not access services implemented on most computer software. Consequently, most existing computer applications pose an accessibility barrier to those who are unable to read fluently. Online technologies intended for such groups should be developed in continuous partnership with primary users and include a thorough investigation into their limitations, requirements and usability barriers. In this research, I investigated existing tools in voice, web and other multimedia technologies to identify learning gaps and explored ways to enhance the information literacy for deaf and functionally illiterate users. I worked on the development of user-centered interfaces to increase the capabilities of deaf and low literacy users by enhancing lexical resources and by evaluating several multimedia interfaces for them. The interface of the platform-independent Italian Sign Language (LIS) Dictionary has been developed to enhance the lexical resources for deaf users. The Sign Language Dictionary accepts Italian lemmas as input and provides their representation in the Italian Sign Language as output. The Sign Language dictionary has 3082 signs as set of Avatar animations in which each sign is linked to a corresponding Italian lemma. I integrated the LIS lexical resources with MultiWordNet (MWN) database to form the first LIS MultiWordNet(LMWN). LMWN contains information about lexical relations between words, semantic relations between lexical concepts (synsets), correspondences between Italian and sign language lexical concepts and semantic fields (domains). The approach enhances the deaf users’ understanding of written Italian language and shows that a relatively small set of lexicon can cover a significant portion of MWN. Integration of LIS signs with MWN made it useful tool for computational linguistics and natural language processing. The rule-based translation process from written Italian text to LIS has been transformed into service-oriented system. The translation process is composed of various modules including parser, semantic interpreter, generator, and spatial allocation planner. This translation procedure has been implemented in the Java Application Building Center (jABC), which is a framework for extreme model driven design (XMDD). The XMDD approach focuses on bringing software development closer to conceptual design, so that the functionality of a software solution could be understood by someone who is unfamiliar with programming concepts. The transformation addresses the heterogeneity challenge and enhances the re-usability of the system. For enhancing the e-participation of functionally illiterate users, two detailed studies were conducted in the Republic of Rwanda. In the first study, the traditional (textual) interface was compared with the virtual character-based interactive interface. The study helped to identify usability barriers and users evaluated these interfaces according to three fundamental areas of usability, i.e. effectiveness, efficiency and satisfaction. In another study, we developed four different interfaces to analyze the usability and effects of online assistance (consistent help) for functionally illiterate users and compared different help modes including textual, vocal and virtual character on the performance of semi-literate users. In our newly designed interfaces the instructions were automatically translated in Swahili language. All the interfaces were evaluated on the basis of task accomplishment, time consumption, System Usability Scale (SUS) rating and number of times the help was acquired. The results show that the performance of semi-literate users improved significantly when using the online assistance. The dissertation thus introduces a new development approach in which virtual characters are used as additional support for barely literate or naturally challenged users. Such components enhanced the application utility by offering a variety of services like translating contents in local language, providing additional vocal information, and performing automatic translation from text to sign language. Obviously, there is no such thing as one design solution that fits for all in the underlying domain. Context sensitivity, literacy and mental abilities are key factors on which I concentrated and the results emphasize that computer interfaces must be based on a thoughtful definition of target groups, purposes and objectives.
N2  - Das Ziel und die Motivation hinter dieser Forschungsarbeit ist es, Anwendungen mit benutzerfreundlichen Schnittstellen für Gehörlose und Analphabeten bereitzustellen, welche es ihnen ermöglichen ohne jede menschliche Unterstützung zu arbeiten. Obwohl es in den letzten Jahren technologische Fortschritte gab, garantiert allein die Verfügbarkeit von Technik nicht automatisch die Zugänglichkeit zu Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT). Umfangreiche Verwendung von Texten in Menüs bis hin zu Dokumenten führen dazu, dass Gehörlose und funktionale Analphabeten auf diese Dienste, die auf Computersystemen existieren, nicht zugreifen können. Folglich stellen die meisten bestehenden EDV-Anwendungen für diejenigen eine Hürde dar, die nicht fließend lesen können. Onlinetechnologien für solche Art von Gruppen sollten in kontinuierlichem Austausch mit den Hauptnutzern entwickelt werden und gründliche Untersuchung ihrer Einschränkungen, Anforderungen und Nutzungsbarrieren beinhalten. In dieser Forschungsarbeit untersuche ich vorhandene Tools im Bereich von Sprach-, Web- und anderen Multimedia-Technologien, um Lernlücken zu identifizieren und Wege zu erforschen, welche die Informationsalphabetisierung für Gehörlose und Analphabeten erweitert. Ich arbeitete an der Entwicklung einer nutzerzentrierten Schnittstelle, um die Fähigkeiten von Gehörlosen und Nutzern mit schlechter Alphabetisierung durch Verbesserung der lexikalischen Ressourcen und durch Auswertung mehrerer Multimediaschnittstellen zu erhöhen. Die Schnittstelle des plattformunabhängigen, italienischen Gebärdensprachen (LIS) Wörterbuches wurde entwickelt, um die lexikalischen Quellen für gehörlose Anwender zu verbessern. Ich integriere die LIS-lexikalischen Ressourcen mit der MultiWordNet (MWN)-Datenbank, um das erste LIS MultiWordNet (LMWN) zu bilden. LMWN enthält Informationen über lexikalische Beziehungen zwischen Wörtern, semantische Beziehungen zwischen lexikalischen Konzepten (Synsets), Gemeinsamkeiten zwischen italienischer und Gebärdensprache-lexikalischen Konzepten und semantischen Feldern (Domänen). Der Ansatz erhöht das Verständnis der tauben Nutzer geschriebene, italienischen Sprache zu verstehen und zeigt, dass ein relativ kleiner Satz an Lexika den wesentlichen Teil der MWN abdecken kann. Die Integration von LIS-Zeichen mit MWN machte es zu einem nützlichen Werkzeug für Linguistik und Sprachverarbeitung. Der regelbasierte Übersetzungsprozess von geschriebenem, italienischem Text zu LIS wurde in ein Service-orientiertes System überführt. Der Übersetzungsprozess besteht aus verschiedenen Modulen, einschließlich einem Parser, einem semantischen Interpreter, einem Generator und einem räumlichen Zuordnungs-Planer. Diese Übersetzungsprozedur wurde im Java Application Building Center (jABC) implementiert, welches ein Framework für das eXtrem Model Driven Design (XMDD) ist. Der XMDD-Ansatz konzentriert sich darauf die Softwareentwicklung näher zum konzeptionellen Design zu bringen, sodass die Funktionalität einer Softwarelösung von jemandem verstanden werden kann, der mit Programmierkonzepten unvertraut ist. Die Transformation richtet sich an die heterogene Herausforderung und verbessert die Wiederverwendbarkeit des Systems. Zur Verbesserung der E-Partizipation der funktionalen Analphabeten wurden zwei detaillierte Studien in der Republik Ruanda durchgeführt. In der ersten Studie wurde die traditionelle, textuelle Schnittstelle mit der virtuellen, charakterbasierten, interaktiven Schnittstelle verglichen. Diese Studie hat dazu beigetragen Barrieren der Benutzerfreundlichkeit zu identifizieren. Anwender evaluierten die Schnittstellen bezüglich drei grundlegender Bereiche der Benutzerfreundlichkeit: Effektivität, Effizienz und Zufriedenstellung bei der Problemlösung. In einer anderen Studie entwickelten wir vier verschiedene Schnittstellen, um die Benutzerfreundlichkeit und die Effekte der Online-Hilfe (konsequente Hilfe) für funktionale Analphabeten zu analysieren und verglichen verschiedene Hilfsmodi (einschließlich zusätzlicher Textinformationen, Audio-Unterstützung und mit Hilfe eines virtuellen Charakters) bezüglich der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von teilweisen Analphabeten, um ihre Zielstellung zu erreichen. In unseren neu gestalteten Schnittstellen wurden Anweisungen automatisch in die Swahili Sprache übersetzt. Alle Schnittstellen wurden auf der Grundlage der Aufgabenbewältigung, des Zeitaufwands, der System Usability Scale (SUS) Rate und der Anzahl der Hilfegesuche bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der teilweisen Analphabeten bei Nutzung der Online-Hilfe signifikant verbessert wurde. Diese Dissertation stellt somit einen neuen Entwicklungsansatz dar, bei welchem virtuelle Charaktere als zusätzliche Unterstützung genutzt werden, um Nutzer, die kaum lesen können oder sonstig eingeschränkt sind, zu unterstützen. Solche Komponenten erweitern die Anwendungsnutzbarkeit indem sie eine Vielzahl von Diensten wie das Übersetzen von Inhalten in eine Landessprache, das Bereitstellen von zusätzlichen akustisch, gesprochenen Informationen und die Durchführung einer automatischen Übersetzung von Text in Gebärdensprache bereitstellen. Offensichtlich gibt ist keine One Design-Lösung, die für alle zugrundeliegenden Domänen passt. Kontextsensitivität, Alphabetisierung und geistigen Fähigkeiten sind Schlüsselfaktoren, auf welche ich mich konzentriere. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Computerschnittstellen auf einer exakten Definition der Zielgruppen, dem Zweck und den Zielen basieren müssen.
KW  - Mensch-Computer-Interaktion
KW  - assistive Technologien
KW  - HCI
KW  - user interfaces
KW  - sign language
KW  - online assistance
KW  - assistive technologies
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70391
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arnold, Anne
T1  - Modeling photosynthesis and related metabolic processes : from detailed examination to consideration of the metabolic context
T1  - Modellierung von Photosynthese und damit zusammenhängende metabolische Prozesse : von detaillierter Betrachtung hin zur Erörterung im metabolischen Kontext
N2  - Mathematical modeling of biological systems is a powerful tool to systematically investigate the functions of biological processes and their relationship with the environment. To obtain accurate and biologically interpretable predictions, a modeling framework has to be devised whose assumptions best approximate the examined scenario and which copes with the trade-off of complexity of the underlying mathematical description: with attention to detail or high coverage. Correspondingly, the system can be examined in detail on a smaller scale or in a simplified manner on a larger scale. In this thesis, the role of photosynthesis and its related biochemical processes in the context of plant metabolism was dissected by employing modeling approaches ranging from kinetic to stoichiometric models. The Calvin-Benson cycle, as primary pathway of carbon fixation in C3 plants, is the initial step for producing starch and sucrose, necessary for plant growth. Based on an integrative analysis for model ranking applied on the largest compendium of (kinetic) models for the Calvin-Benson cycle, those suitable for development of metabolic engineering strategies were identified. Driven by the question why starch rather than sucrose is the predominant transitory carbon storage in higher plants, the metabolic costs for their synthesis were examined. The incorporation of the maintenance costs for the involved enzymes provided a model-based support for the preference of starch as transitory carbon storage, by only exploiting the stoichiometry of synthesis pathways. Many photosynthetic organisms have to cope with processes which compete with carbon fixation, such as photorespiration whose impact on plant metabolism is still controversial. A systematic model-oriented review provided a detailed assessment for the role of this pathway in inhibiting the rate of carbon fixation, bridging carbon and nitrogen metabolism, shaping the C1 metabolism, and influencing redox signal transduction. The demand of understanding photosynthesis in its metabolic context calls for the examination of the related processes of the primary carbon metabolism. To this end, the Arabidopsis core model was assembled via a bottom-up approach. This large-scale model can be used to simulate photoautotrophic biomass production, as an indicator for plant growth, under so-called optimal, carbon-limiting and nitrogen-limiting growth conditions. Finally, the introduced model was employed to investigate the effects of the environment, in particular, nitrogen, carbon and energy sources, on the metabolic behavior. This resulted in a purely stoichiometry-based explanation for the experimental evidence for preferred simultaneous acquisition of nitrogen in both forms, as nitrate and ammonium, for optimal growth in various plant species. The findings presented in this thesis provide new insights into plant system's behavior, further support existing opinions for which mounting experimental evidences arise, and posit novel hypotheses for further directed large-scale experiments.
N2  - Mathematische Modellierung biologischer Systeme eröffnet die Möglichkeit systematisch die Funktionsweise biologischer Prozesse und ihrer Wechselwirkungen mit der Umgebung zu untersuchen. Um präzise und biologisch relevante Vorhersagen treffen zu können, muss eine Modellierungsstrategie konzipiert werden, deren Annahmen das untersuchte Szenario bestmöglichst widerspiegelt und die dem Trade-off der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen Beschreibung gerecht wird: Detailtreue gegenüber Größe. Dementsprechend kann das System detailliert, in kleinerem Umfang oder in vereinfachter Darstellung im größeren Maßstab untersucht werden. In dieser Arbeit wird mittels verschiedener Modellierungsansätze, wie kinetischen und stöchiometrischen Modellen, die Rolle der Photosynthese und damit zusammenhängender biochemischer Prozesse im Rahmen des Pflanzenstoffwechsels analysiert. Der Calvin-Benson-Zyklus, als primärer Stoffwechselweg der Kohlenstofffixierung in C3-Pflanzen, ist der erste Schritt der Stärke- und Saccharoseproduktion, welche maßgeblich für das Wachstum von Pflanzen sind. Basierend auf einer integrativen Analyse zur Modellklassifizierung wurden aus der größten bekannten Sammlung von (kinetischen) Modellen des Calvin-Benson-Zyklus diejenigen ermittelt, die für die Entwicklung von Metabolic-Engineering-Strategien geeignet sind. Angeregt von der Fragestellung warum Kohlenstoff transitorisch vorwiegend in Form von Stärke anstatt Saccharose gespeichert wird, wurden die metabolischen Kosten beider Syntheseprozesse genauer betrachtet. Die Einbeziehung der Bereitstellungskosten der beteiligten Enzyme stützt die Tatsache, dass bevorzugt Stärke als temporärer Kohlenstoffspeicher dient. Die entprechende Untersuchung erfolgte einzig auf Grundlage der Stöchiometrie der Synthesewege. In vielen photosynthetisch-aktiven Organismen findet zudem Photorespiration statt, die der Kohlenstofffixierung entgegenwirkt. Die genaue Bedeutung der Photorespiration für den Pflanzenmetabolismus ist noch umstritten. Eine detaillierte Einschätzung der Rolle dieses Stoffwechselweges bezüglich der Inhibierung der Kohlenstofffixierungsrate, der Verknüpfung von Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus, der Ausprägung des C1-Stoffwechsels sowie die Einflussnahme auf die Signaltransduktion wurde in einer modell-basierten, kritischen Analyse vorgenommen. Um die Photosynthese in ihrem metabolischen Kontext verstehen zu können, ist die Betrachtung der angrenzenden Prozesse des primären Kohlenstoffmetabolismus unverzichtbar. Hierzu wurde in einem Bottom-up Ansatz das Arabidopsis core Modell entworfen, mittels dessen die Biomasseproduktion, als Indikator für Pflanzenwachtum, unter photoautotrophen Bedingungen simuliert werden kann. Neben sogenannten optimalen Wachstumsbedingungen kann dieses großangelegte Modell auch kohlenstoff- und stickstofflimitierende Umweltbedingungen simulieren. Abschließend wurde das vorgestellte Modell zur Untersuchung von Umwelteinflüssen auf das Stoffwechselverhalten herangezogen, im speziellen verschiedene Stickstoff-, Kohlenstoff- und Energiequellen. Diese auschließlich auf der Stöchiometrie basierende Analyse bietet eine Erklärung für die bevorzugte, gleichzeitige Aufnahme von Nitrat und Ammonium, wie sie in verschiedenen Spezies für optimales Wachstum experimentell beobachtet wurde. Die Resultate dieser Arbeit liefern neue Einsichten in das Verhalten von pflanzlichen Systemen, stützen existierende Ansichten, für die zunehmend experimentelle Hinweise vorhanden sind, und postulieren neue Hypothesen für weiterführende großangelegte Experimente.
KW  - stöchiometrische Modellierung
KW  - kinetische Modellierung
KW  - metabolische Netzwerke
KW  - metabolische Kosten
KW  - Photosynthese
KW  - stoichiometric modeling
KW  - kinetic modeling
KW  - metabolic networks
KW  - metabolic costs
KW  - photosynthesis
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72277
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TY  - THES
A1  - Bamberg, Marlene
T1  - Planetary mapping tools applied to floor-fractured craters on Mars
T1  - Planetare Analysewerkzeuge am Anwendungsgebiet von Kratern mit zerbrochenen Boeden auf dem Mars
N2  - Planetary research is often user-based and requires considerable skill, time, and effort. Unfortunately, self-defined boundary conditions, definitions, and rules are often not documented or not easy to comprehend due to the complexity of research. This makes a comparison to other studies, or an extension of the already existing research, complicated. Comparisons are often distorted, because results rely on different, not well defined, or even unknown boundary conditions. The purpose of this research is to develop a standardized analysis method for planetary surfaces, which is adaptable to several research topics. The method provides a consistent quality of results. This also includes achieving reliable and comparable results and reducing the time and effort of conducting such studies. A standardized analysis method is provided by automated analysis tools that focus on statistical parameters. Specific key parameters and boundary conditions are defined for the tool application. The analysis relies on a database in which all key parameters are stored. These databases can be easily updated and adapted to various research questions. This increases the flexibility, reproducibility, and comparability of the research. However, the quality of the database and reliability of definitions directly influence the results. To ensure a high quality of results, the rules and definitions need to be well defined and based on previously conducted case studies. The tools then produce parameters, which are obtained by defined geostatistical techniques (measurements, calculations, classifications). The idea of an automated statistical analysis is tested to proof benefits but also potential problems of this method. In this study, I adapt automated tools for floor-fractured craters (FFCs) on Mars. These impact craters show a variety of surface features, occurring in different Martian environments, and having different fracturing origins. They provide a complex morphological and geological field of application. 433 FFCs are classified by the analysis tools due to their fracturing process. Spatial data, environmental context, and crater interior data are analyzed to distinguish between the processes involved in floor fracturing. Related geologic processes, such as glacial and fluvial activity, are too similar to be separately classified by the automated tools. Glacial and fluvial fracturing processes are merged together for the classification. The automated tools provide probability values for each origin model. To guarantee the quality and reliability of the results, classification tools need to achieve an origin probability above 50 %. This analysis method shows that 15 % of the FFCs are fractured by intrusive volcanism, 20 % by tectonic activity, and 43 % by water & ice related processes. In total, 75 % of the FFCs are classified to an origin type. This can be explained by a combination of origin models, superposition or erosion of key parameters, or an unknown fracturing model. Those features have to be manually analyzed in detail. Another possibility would be the improvement of key parameters and rules for the classification. This research shows that it is possible to conduct an automated statistical analysis of morphologic and geologic features based on analysis tools. Analysis tools provide additional information to the user and are therefore considered assistance systems.
N2  - Planetenforschung umfasst oft zeitintensive Projekte, bei denen Expertise und Erfahrung eine wesentliche Rolle spielen. Auf Grund äusserst komplexer und sich selten wiederholender Forschungsfragen sind Annahmen, Definitionen und Regeln zur Lösung dieser Fragen nicht leicht nachvollziehbar oder aber nicht eindeutig dokumentiert. Ein Vergleich der Ergebnisse unterschiedlicher Forscher zum selben Thema oder eine Erweiterung der Forschungsfrage macht dies somit nur schwer möglich. Vergleiche liefern oftmals verzerrte Ergebnisse, da die Ausgangslage und Randbedingungen unterschiedlich definiert worden sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine Standardmethode zur Oberflächenanalyse zu entwickeln, die auf zahlreiche Untersuchungsfragen angewandt werden kann. Eine gleichbleibende Qualität der Ergebnisse muss durch diese Methode gewährleistet sein. Ein weiteres Ziel ist es, dass diese Methode ohne Vorwissen und Expertise angewandt werden kann und die Ergebnisse in kurzer Zeit vorliegen. Ausserdem müssen die Ergebnisse vergleichbar und nachvollziehbar sein. Automatisch operierende Analysewerkzeuge können die zahlreichen Anforderungen erfüllen und als Standardmethode dienen. Statistische Ergebnisse werden durch diese Methode erzielt. Die Werkzeuge basieren auf vordefinierten, geowissenschaftlichen Techniken und umfassen Messungen, Berechnungen und Klassifikationen der zu untersuchenden Oberflächenstrukturen. Für die Anwendung dieser Werkzeuge müssen Schlüsselstrukturen und Randbedingungen definiert werden. Des Weiteren benötigen die Werkzeuge eine Datenbank, in der alle Oberflächenstrukturen, aber auch Informationen zu den Randbedingungen gespeichert sind. Es ist mit geringem Aufwand möglich, Datenbanken zu aktualisieren und sie auf verschiedenste Fragestellungen zu adaptieren. Diese Tatsache steigert die Flexibilität, Reproduzierbarkeit und auch Vergleichbarkeit der Untersuchung. Die vordefinierten Randbedingungen und die Qualität der Datenbank haben jedoch auch direkten Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse. Um eine gleichbleibend hohe Qualität der Untersuchung zu gewährleisten muss sichergestellt werden, dass alle vordefinierten Bedingungen eindeutig sind und auf vorheriger Forschung basieren. Die automatisch operierenden Analysewerkzeuge müssen als mögliche Standardmethode getestet werden. Hierbei geht es darum Vorteile, aber auch Nachteile zu identifizieren und zu bewerten. In dieser Arbeit werden die Analysewerkzeuge auf einen bestimmten Einschlagskratertyp auf dem Mars angewandt. Krater mit zerbrochenen Kraterböden (Floor-Fractured Craters) sind in verschiedensten Regionen auf dem Mars zu finden, sie zeigen zahlreiche Oberflächenstrukturen und wurden durch unterschiedliche Prozesse geformt. All diese Fakten machen diesen Kratertyp zu einem interessanten und im geologischen und morphologischen Sinne sehr komplexen Anwendungsgebiet. 433 Krater sind durch die Werkzeuge analysiert und je nach Entstehungsprozess klassifiziert worden. Für diese Analyse sind Position der Krater, Art des Umfeldes und Strukturen im Kraterinneren ausschlaggebend. Die kombinierten Informationen geben somit Auskunft über die Prozesse, welche zum Zerbrechen des Kraterbodens geführt haben. Die entwickelten Analysewerkzeuge können geologische Prozesse, die sehr ähnlich zueinander sind, von einander abhängig sind und zusätzlich auch dieselben Oberflächenstrukturen formen, nicht eindeutig unterscheiden. Aus diesem Grund sind fluviale und glaziale Entstehungsprozesse für den untersuchten Kratertyp zusammengefasst. Die Analysewerkzeuge liefern Wahrscheinlichkeitswerte für drei mögliche Entstehungsarten. Um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern muss eine Wahrscheinlichkeit über 50 % erreicht werden. Die Werkzeuge zeigen, dass 15 % der Krater durch Vulkanismus, 20 % durch Tektonik und 43 % durch Wasser- und Eis-bedingte Prozesse gebildet wurden. Insgesamt kann für 75 % des untersuchten Kratertyps ein potentieller Entstehungsprozess zugeordnet werden. Für 25 % der Krater ist eine Klassifizierung nicht möglich. Dies kann durch eine Kombination von geologischen Prozessen, einer Überprägung von wichtigen Schlüsselstrukturen, oder eines bisher nicht berücksichtigten Prozesses erklärt werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass es möglich ist planetare Oberflächenstrukturen quantitativ durch automatisch operierende Analysewerkzeuge zu erfassen und hinsichtlich einer definierten Fragestellung zu klassifizieren. Zusätzliche Informationen können durch die entwickelten Werkzeuge erhalten werden, daher sind sie als Assistenzsystem zu betrachten.
KW  - Datenbank
KW  - Automatisierung
KW  - Klassifizierung
KW  - geologische Prozesse
KW  - Geomorphologie
KW  - database
KW  - automation
KW  - classification
KW  - geological processes
KW  - geomorphology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72104
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TY  - THES
A1  - Behrens, Ricarda
T1  - Causes for slow weathering and erosion in the steep, warm, monsoon-subjected Highlands of Sri Lanka
T1  - Ursache von langsamer Verwitterung und Erosion im steilen, warmen und Monsun-beeinflussten Hochland von Sri Lanka
N2  - In the Highlands of Sri Lanka, erosion and chemical weathering rates are among the lowest for global mountain denudation. In this tropical humid setting, highly weathered deep saprolite profiles have developed from high-grade metamorphic charnockite during spheroidal weathering of the bedrock. The spheroidal weathering produces rounded corestones and spalled rindlets at the rock-saprolite interface. I used detailed textural, mineralogical, chemical, and electron-microscopic (SEM, FIB, TEM) analyses to identify the factors limiting the rate of weathering front advance in the profile, the sequence of weathering reactions, and the underlying mechanisms. The first mineral attacked by weathering was found to be pyroxene initiated by in situ Fe oxidation, followed by in situ biotite oxidation. Bulk dissolution of the primary minerals is best described with a dissolution – re-precipitation process, as no chemical gradients towards the mineral surface and sharp structural boundaries are observed at the nm scale. Only the local oxidation in pyroxene and biotite is better described with an ion by ion process. The first secondary phases are oxides and amorphous precipitates from which secondary minerals (mainly smectite and kaolinite) form. Only for biotite direct solid state transformation to kaolinite is likely. The initial oxidation of pyroxene and biotite takes place in locally restricted areas and is relatively fast: log J = -11 molmin/(m2 s). However, calculated corestone-scale mineral oxidation rates are comparable to corestone-scale mineral dissolution rates: log R = -13 molpx/(m2 s) and log R = -15 molbt/(m2 s). The oxidation reaction results in a volume increase. Volumetric calculations suggest that this observed oxidation leads to the generation of porosity due to the formation of micro-fractures in the minerals and the bedrock allowing for fluid transport and subsequent dissolution of plagioclase. At the scale of the corestone, this fracture reaction is responsible for the larger fractures that lead to spheroidal weathering and to the formation of rindlets. Since these fractures have their origin from the initial oxidational induced volume increase, oxidation is the rate limiting parameter for weathering to take place. The ensuing plagioclase weathering leads to formation of high secondary porosity in the corestone over a distance of only a few cm and eventually to the final disaggregation of bedrock to saprolite. As oxidation is the first weathering reaction, the supply of O2 is a rate-limiting factor for chemical weathering. Hence, the supply of O2 and its consumption at depth connects processes at the weathering front with erosion at the surface in a feedback mechanism. The strength of the feedback depends on the relative weight of advective versus diffusive transport of O2 through the weathering profile. The feedback will be stronger with dominating diffusive transport. The low weathering rate ultimately depends on the transport of O2 through the whole regolith, and on lithological factors such as low bedrock porosity and the amount of Fe-bearing primary minerals. In this regard the low-porosity charnockite with its low content of Fe(II) bearing minerals impedes fast weathering reactions. Fresh weatherable surfaces are a pre-requisite for chemical weathering. However, in the case of the charnockite found in the Sri Lankan Highlands, the only process that generates these surfaces is the fracturing induced by oxidation. Tectonic quiescence in this region and low pre-anthropogenic erosion rate (attributed to a dense vegetation cover) minimize the rejuvenation of the thick and cohesive regolith column, and lowers weathering through the feedback with erosion.
N2  - Erosions- und chemische Verwitterungsraten im srilankischen Hochland gehören zu den langsamsten der globalen Gebirgsdenudationsraten. In diesem tropischen, humiden Gebiet entwickelten sich mächtige Verwitterungsprofile – sogenannte Saprolite – auf spheroidal verwittertem, hochgradig metamorphen Charnockit. Spheroidale Verwitterung führt zu abgerundeten „corestones“ mit abgesplitterten Rinden („rindlets“) an der Gesteins – Saprolit Grenze. Zur Identifizierung der ratenlimitierenden Faktoren des Fortschreiten der Verwitterungsfront, der Sequenz der Verwitterungsreaktionen und der dahinterliegenden Mechanismen nutzte ich detaillierte gesteinsstrukturelle, mineralogische, chemische und elektronenmikroskopische (SEM, FIB, TEM) Analysemethoden. Die initiale Verwitterung beginnt mit lokal begrenzter in situ Oxidation in Pyroxen, gefolgt von in situ Oxidation von Biotit. Die Auflösung der Minerale wird am besten durch einen Auflöse – Wiederausfällungs-prozess beschrieben, da zur Mineralgrenze hin keine chemischen Gradienten, dafür aber auf der nm-Skala scharfe strukturelle Grenzen zu beobachten sind. Die ersten ausfallenden Sekundärphasen sind Oxide und amorphe Phasen aus denen sich Sekundärmineral (hauptsächlich Smectit und Kaolinit) bilden. Für Biotit ist auch eine direkte Umwandlung im Festzustand zu Kaolinit möglich. Die initiale Pyroxen- und Biotitoxidation ist relativ schnell: log J = -11 molmin/(m2 s). Berechnete Oxidationsraten auf der corestone-Skala (cm) sind vergleichbar zu Auflöseraten auf derselben Skala: log R = -13 molpx/(m2 s) und log R = -15 molbt/(m2 s). Volumetrische Berechnungen führen zum Schluss, dass die Oxidation mit einhergehender Volumenzunahme zur Entwicklung von Mikrofrakturen in den Mineralen und dem Gesamtgestein führt. Diese begünstigen Fluidtransport und damit einhergehende Plagioklasverwitterung. Des Weiteren ist diese Oxidationsreaktion verantwortlich für die Entstehung der Frakturen bei spheroidaler Verwitterung des Gesteins, welche die „rindlets“ vom „corestone“ abgrenzen. Daraus kann geschlossen werden, dass in situ Oxidation der ratenlimitierende Prozess bei der Verwitterung ist. Plagioklasverwitterung führt zu einer hohen Porositätszunahme und der endgültigen Umwandlung von Gestein zu Saprolit. Da Oxidation die erste Verwitterungsreaktion ist, verbinden die Zuführung und der Verbrauch von O2 zur, beziehungsweise an die Verwitterungsfront Erosion an der Oberfläche mit Prozessen an der Verwitterungsfront über einen Feedbackmechanismus. Daher hängt die langsame Verwitterungsrate letztlich vom Sauerstofftransport durch das Verwitterungsprofil und von lithologischen Faktoren des Charnockit wie zum Beispiel geringe Gesteinsporosität und/oder wenige Fe(II)-haltige Primärminerale ab. Des Weiteren ist der einzige Prozess im Charnockit der frische verwitterbare Oberflächen (eine Voraussetzung für chemische Verwitterung) generiert die oxidations-induzierte Frakturierung. Darüber hinaus minimieren die Abwesenheit von tektonischer Aktivität und geringe prä-anthropogene Erosionsraten in dieser Region den Abtrag des mächtigen und kohäsiven Verwitterungsprofils und somit über den beschriebenen Feedback auch die chemische Verwitterungsrate.
KW  - Sri Lanka
KW  - chemical weathering
KW  - erosion
KW  - saprolite
KW  - weathering feedback
KW  - charnockite
KW  - critical zone
KW  - mineral weathering reactions
KW  - Sri Lanka
KW  - chemische Verwitterung
KW  - Erosion
KW  - Saprolit
KW  - Verwitterungsfeedback
KW  - Charnockit
KW  - kritische Zone
KW  - Mineralverwitterungsreaktionen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408503
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TY  - THES
A1  - Bortfeld, Silvia
T1  - Analysis of Medicago truncatula transcription factors involved in the arbuscular mycorrhizal symbiosis
T1  - Analyse von Medicago truncatula Transkriptionsfaktoren, die während der arbuskulären Mykorrhiz-Symbiose eine Rolle spielen
N2  - For the first time the transcriptional reprogramming of distinct root cortex cells during the arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis was investigated by combining Laser Capture Mirodissection and Affymetrix GeneChip® Medicago genome array hybridization. The establishment of cryosections facilitated the isolation of high quality RNA in sufficient amounts from three different cortical cell types. The transcript profiles of arbuscule-containing cells (arb cells), non-arbuscule-containing cells (nac cells) of Rhizophagus irregularis inoculated Medicago truncatula roots and cortex cells of non-inoculated roots (cor) were successfully explored. The data gave new insights in the symbiosis-related cellular reorganization processes and indicated that already nac cells seem to be prepared for the upcoming fungal colonization. The mycorrhizal- and phosphate-dependent transcription of a GRAS TF family member (MtGras8) was detected in arb cells and mycorrhizal roots. MtGRAS shares a high sequence similarity to a GRAS TF suggested to be involved in the fungal colonization processes (MtRAM1). The function of MtGras8 was unraveled upon RNA interference- (RNAi-) mediated gene silencing. An AM symbiosis-dependent expression of a RNAi construct (MtPt4pro::gras8-RNAi) revealed a successful gene silencing of MtGras8 leading to a reduced arbuscule abundance and a higher proportion of deformed arbuscules in root with reduced transcript levels. Accordingly, MtGras8 might control the arbuscule development and life-time. The targeting of MtGras8 by the phosphate-dependent regulated miRNA5204* was discovered previously (Devers et al., 2011). Since miRNA5204* is known to be affected by phosphate, the posttranscriptional regulation might represent a link between phosphate signaling and arbuscule development. In this work, the posttranscriptional regulation was confirmed by mis-expression of miRNA5204* in M. truncatula roots. The miRNA-mediated gene silencing affects the MtGras8 transcript abundance only in the first two weeks of the AM symbiosis and the mis-expression lines seem to mimic the phenotype of MtGras8-RNAi lines. Additionally, MtGRAS8 seems to form heterodimers with NSP2 and RAM1, which are known to be key regulators of the fungal colonization process (Hirsch et al., 2009; Gobbato et al., 2012). These data indicate that MtGras8 and miRNA5204* are linked to the sym pathway and regulate the arbuscule development in phosphate-dependent manner.
N2  - Die Leguminose Medicago truncatula (gehört zur Gattung des Schneckenklees) ist in der Lage sowohl eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien (Rhizobien), als auch mit Mykorrhiza-Pilzen einzugehen. Der Mykorrhiza-Pilz Rhizophagus irregularis dringt in die Wurzelrindenzellen ein und bildet Strukturen aus, die als Arbuskeln bezeichnet werden. Diese ermöglichen den Transfer von Nährstoffen, wie Phosphat in die Wurzelzellen. Die Pflanze liefert hingegen bis zu 20 % ihrer Photosyntheseprodukte an den Pilz. Da die Lebenszeit der Arbuskeln nur wenige Tage beträgt, können Wurzelrindenzellen mehrere Arbuskeln nacheinander beherbergen. Somit können neben arbuskelhaltigen, auch nicht-arbuskelhaltige Zellen in kolonisierten Wurzeln auftreten. Die nicht-arbuskelhaltigen Zellen beeinträchtigen die Sensitivität von Genregulationsanalysen, wenn die Genregulation während der Mykorrhiza-Symbiose anhand von ganzen kolonisierten Wurzeln untersucht wird. In dieser Arbeit konnte eine Zelltyp-spezifische Analyse der Genregulation von arbuskelhaltigen und nicht-arbuskelhaltigen Zellen durchgeführt, und eine Erhöhung der Sensitivität erreicht werden. Mittels Laser Capture Microdissection wurden Zellen aus Gefrierschnitten von Wurzeln isoliert. Aus den so gewonnen Zellen konnte RNA von ausreichender Qualität und Quantität extrahiert werden, um das Transkriptom der beiden Zelltypen mittels Mikroarrayhybridisierung zu untersuchen. Transkriptionsfaktoren (TFs) spielen wahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Umprogrammierung von Wurzelzellen während der Mykorrhiza-Symbiose. Daher wurde die Genregulation von TF-Genen in den zwei Zelltypen gezielt untersucht. Anhand von quantitativer RT-PCR und Promoter-Reporter-Fusionen wurde die differentielle Expression von mehreren TF-Transkripten in den verschiedenen Zelltypen bestätigt. Die Charakterisierung eines potentiellen GRAS TF (MtGRAS8) konnte eine stark Symbiose- und Phosphat-abhängige Induktion von Transkripten bestätigt werden. Mutanten mit verringerter MtGras8 Transkriptmenge wiesen eine verringerte Arbuskelzahl und deformierte Arbuskeln auf. MtGras8 scheint daher an der Arbuskelentwicklung beteiligt zu sein. Vorherige Experimente zeigten, dass MtGras8 Transkripte, von der Phosphat-regulierten MikroRNA5204* geschnitten werden (Devers et al., 2011). Dies konnte durch Überexpression der MikroRNA5204* in vivo bestätigt werden. Weiterhin konnten Protein-Protein-Interaktionen von MtGras8 mit bekannten GRAS TFs (NSP1, NSP2, RAM1) nachgewiesen und daraus eine Verbindung zu bekannten Symbiose-induzierten Signalkaskaden geschlossen werden. In dieser Arbeit wurde erstmals die Umprogrammierung von nicht-arbuskelhaltigen Zellen untersucht und neue Regulationselemente für die Kontrolle der Arbuskelentwicklung, wie MtGRAS8 und MikroRNA5204*, charakterisiert.
KW  - arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Zelltyp-spezifisch
KW  - Transkriptomanalyse
KW  - arbuscular mycorrhizal symbiosis
KW  - transcription factors
KW  - cell type-specific
KW  - transcriptome analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70664
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brothers, Soren M.
T1  - Carbon gains, losses, and feedbacks in shallow, eutrophic lakes of phytoplankton and macrophyte dominance
T1  - Kohlenstoff-Gewinne, Verluste und Rückkopplungen in flachen, nährstoffreichen Seen mit Dominanz von Phytoplankton und Makrophyten
N2  - Lakes are increasingly being recognized as an important component of the global carbon cycle, yet anthropogenic activities that alter their community structure may change the way they transport and process carbon. This research focuses on the relationship between carbon cycling and community structure of primary producers in small, shallow lakes, which are the most abundant lake type in the world, and furthermore subject to intense terrestrial-aquatic coupling due to their high perimeter:area ratio. Shifts between macrophyte and phytoplankton dominance are widespread and common in shallow lakes, with potentially large consequences to regional carbon cycling. I thus compared a lake with clear-water conditions and a submerged macrophyte community to a turbid, phytoplankton-dominated lake, describing differences in the availability, processing, and export of organic and inorganic carbon. I furthermore examined the effects of increasing terrestrial carbon inputs on internal carbon cycling processes. Pelagic diel (24-hour) oxygen curves and independent fluorometric approaches of individual primary producers together indicated that the presence of a submerged macrophyte community facilitated higher annual rates of gross primary production than could be supported in a phytoplankton-dominated lake at similar nutrient concentrations. A simple model constructed from the empirical data suggested that this difference between regime types could be common in moderately eutrophic lakes with mean depths under three to four meters, where benthic primary production is a potentially major contributor to the whole-lake primary production. It thus appears likely that a regime shift from macrophyte to phytoplankton dominance in shallow lakes would typically decrease the quantity of autochthonous organic carbon available to lake food webs. Sediment core analyses indicated that a regime shift from macrophyte to phytoplankton dominance was associated with a four-fold increase in carbon burial rates, signalling a major change in lake carbon cycling dynamics. Carbon mass balances suggested that increasing carbon burial rates were not due to an increase in primary production or allochthonous loading, but instead were due to a higher carbon burial efficiency (carbon burial / carbon deposition). This, in turn, was associated with diminished benthic mineralization rates and an increase in calcite precipitation, together resulting in lower surface carbon dioxide emissions. Finally, a period of unusually high precipitation led to rising water levels, resulting in a feedback loop linking increasing concentrations of dissolved organic carbon (DOC) to severely anoxic conditions in the phytoplankton-dominated system. High water levels and DOC concentrations diminished benthic primary production (via shading) and boosted pelagic respiration rates, diminishing the hypolimnetic oxygen supply. The resulting anoxia created redox conditions which led to a major release of nutrients, DOC, and iron from the sediments. This further transformed the lake metabolism, providing a prolonged summertime anoxia below a water depth of 1 m, and leading to the near-complete loss of fish and macroinvertebrates. Pelagic pH levels also decreased significantly, increasing surface carbon dioxide emissions by an order of magnitude compared to previous years. Altogether, this thesis adds an important body of knowledge to our understanding of the significance of the benthic zone to carbon cycling in shallow lakes. The contribution of the benthic zone towards whole-lake primary production was quantified, and was identified as an important but vulnerable site for primary production. Benthic mineralization rates were furthermore found to influence carbon burial and surface emission rates, and benthic primary productivity played an important role in determining hypolimnetic oxygen availability, thus controlling the internal sediment loading of nutrients and carbon. This thesis also uniquely demonstrates that the ecological community structure (i.e. stable regime) of a eutrophic, shallow lake can significantly influence carbon availability and processing. By changing carbon cycling pathways, regime shifts in shallow lakes may significantly alter the role of these ecosystems with respect to the global carbon cycle.
N2  - Seen werden zunehmend als wichtige Komponente im globalen Kohlenstoffkreislauf anerkannt. Natürliche Veränderungen und anthropogene Aktivitäten beeinflussen die Struktur der Artengemeinschaft von Seen, was Auswirkungen auf den Transport und Umsatz von Kohlenstoff hat. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Kohlenstoffkreislauf und der Gemeinschaftsstruktur der Primärproduzenten in kleinen Flachseen. Diese sind der weltweit häufigste Seentyp und weisen durch ihren im Vergleich zur Fläche großen Umfang eine intensive aquatisch-terrestrische Kopplung auf. In Flachseen treten oft Regimewechsel zwischen Makrophyten- und Phytoplankton-Dominanz auf. Diese können potenziell große Konsequenzen für den regionalen Kohlenstoffkreislauf haben. In dieser Dissertation vergleiche ich einen Klarwassersee mit submersen Makrophyten und einen trüben, Phytoplankton-dominierten See hinsichtlich Verfügbarkeit, Umsatz und Export von organischem und anorganischem Kohlenstoff. Des Weiteren habe ich den Effekt der erhöhten Zufuhr von terrestrischem Kohlenstoff auf den internen Kohlenstoffumsatz untersucht. Sowohl die Tagesgänge der pelagischen Sauerstoff-Konzentrationen als auch Fluoreszenz-basierte Messungen der Primärproduktion bewiesen, dass die Präsenz von submersen Makrophyten eine höhere jährliche Brutto-Primärproduktion im Vergleich zu einem Phytoplankton-dominierten See mit ähnlichen Nährstoffkonzentrationen ermöglicht. Ein einfaches, auf den empirischen Daten basierendes Model zeigt, dass diese Unterschiede in der Brutto-Primärproduktion typisch sind für moderat eutrophe Seen mit einer mittleren Tiefe von unter 3 bis vier Metern. In diesen Seen leistet die benthische Primärproduktion den Hauptbeitrag zur Primärproduktion des ganzen Sees. Daraus wird ersichtlich, dass Regimewechsel von Makrophyten- zur Phytoplankton-Dominanz in Flachseen die Verfügbarkeit von autochthonem organischem Kohlenstoff für das Nahrungsnetz reduzieren. Paläolimnologische Analysen in Sedimentkernen beider Seen wiesen darauf hin, dass der Verlust der Makrophyten mit einer vierfachen Zunahme der Kohlenstoff-Speicherraten einhergeht, und somit zu einer großen Veränderung der Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs im See führt. Unsere Kohlenstoff-Massenbilanzen zeigen, dass die Erhöhung der Kohlenstoff-Speicherung im Sediment nicht durch die Erhöhung der Primärproduktion oder durch externe Quellen, sondern durch erhöhte der Effizienz der Speicherung begründet war. Dies geht mit einer reduzierten benthischen Mineralisierungsrate und einer erhöhten Calcitfällung einher und führt zu reduzierten Kohlendioxid-Emissionen. Eine Periode ungewöhnlich hoher Niederschläge mit erhöhten Wasserständen führte im Phytoplankton-dominierten See zu zu einem starken Anstieg der Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und zu anoxischen Bedingungen. Es wurde postuliert, dass zwischen diesen Prozessen eine positive Rückkopplung besteht. Die hohen Wasserstände und DOC-Konzentrationen reduzierten die Lichtversorgung und damit die Primärproduktion im Benthal und erhöhten die pelagischen Respirationsraten. Dadurch verringerte sich die Sauerstoffverfügbarkeit im Hypolimnion. Die dadurch erzeugten Redox-Verhältnisse führten zu einer Freisetzung großer Mengen an Nährstoffen, DOC und Eisen aus dem Sediment. Die während des gesamten Sommers andauernden anoxischen Verhältnisse in Wassertiefen unter 1 m führten zu einem fast vollständigen Verlust von Fischen und Makroinvertebraten. Zusätzlich wurde der pH-Wert im Pelagial signifikant erniedrigt und die Kohlenstoffdioxid-Emissionen im Vergleich zu früheren Jahren verzehnfacht. Insgesamt trägt diese Dissertation wesentliche Aspekte zum besseren Verständnis der Bedeutung des Benthals für den Kohlenstoffkreislauf in Flachseen bei. Der Anteil der benthischen Zone an der Primärproduktion in kleinen Flachseen wurde in Relation zur Gesamtproduktion des Systems quantifiziert. Letztlich zeigt diese Arbeit, dass die Gemeinschaftsstruktur der Primärproduzenten eines eutrophen Flachsees die Verfügbarkeit und den Umsatz von Kohlenstoff signifikant beeinflusst. Regimewechsel in Flachseen können durch Änderungen im internen Kohlenstoffkreislauf deren Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf verändern.
KW  - Carbon Cycling
KW  - Primärproduktion
KW  - Anoxie
KW  - Brownification
KW  - Carbon cycling
KW  - primary production
KW  - anoxia
KW  - brownification
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68200
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dawoud, Wesam
T1  - Scalability and performance management of internet applications in the cloud
T1  - Skalierbarkeit und Performance-Management von Internetanwendungen in der Cloud
N2  - Cloud computing is a model for enabling on-demand access to a shared pool of computing resources. With virtually limitless on-demand resources, a cloud environment enables the hosted Internet application to quickly cope when there is an increase in the workload. However, the overhead of provisioning resources exposes the Internet application to periods of under-provisioning and performance degradation. Moreover, the performance interference, due to the consolidation in the cloud environment, complicates the performance management of the Internet applications. In this dissertation, we propose two approaches to mitigate the impact of the resources provisioning overhead. The first approach employs control theory to scale resources vertically and cope fast with workload. This approach assumes that the provider has knowledge and control over the platform running in the virtual machines (VMs), which limits it to Platform as a Service (PaaS) and Software as a Service (SaaS) providers. The second approach is a customer-side one that deals with the horizontal scalability in an Infrastructure as a Service (IaaS) model. It addresses the trade-off problem between cost and performance with a multi-goal optimization solution. This approach finds the scale thresholds that achieve the highest performance with the lowest increase in the cost. Moreover, the second approach employs a proposed time series forecasting algorithm to scale the application proactively and avoid under-utilization periods. Furthermore, to mitigate the interference impact on the Internet application performance, we developed a system which finds and eliminates the VMs suffering from performance interference. The developed system is a light-weight solution which does not imply provider involvement. To evaluate our approaches and the designed algorithms at large-scale level, we developed a simulator called (ScaleSim). In the simulator, we implemented scalability components acting as the scalability components of Amazon EC2. The current scalability implementation in Amazon EC2 is used as a reference point for evaluating the improvement in the scalable application performance. ScaleSim is fed with realistic models of the RUBiS benchmark extracted from the real environment. The workload is generated from the access logs of the 1998 world cup website. The results show that optimizing the scalability thresholds and adopting proactive scalability can mitigate 88% of the resources provisioning overhead impact with only a 9% increase in the cost.
N2  - Cloud computing ist ein Model fuer einen Pool von Rechenressourcen, den sie auf Anfrage zur Verfuegung stellt. Internetapplikationen in einer Cloud-Infrastruktur koennen bei einer erhoehten Auslastung schnell die Lage meistern, indem sie die durch die Cloud-Infrastruktur auf Anfrage zur Verfuegung stehenden und virtuell unbegrenzten Ressourcen in Anspruch nehmen. Allerdings sind solche Applikationen durch den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen mit Perioden von Verschlechterung der Performanz und Ressourcenunterversorgung konfrontiert. Ausserdem ist das Management der Performanz aufgrund der Konsolidierung in einer Cloud Umgebung kompliziert. Um die Auswirkung des Mehraufwands zur Bereitstellung von Ressourcen abzuschwächen, schlagen wir in dieser Dissertation zwei Methoden vor. Die erste Methode verwendet die Kontrolltheorie, um Ressourcen vertikal zu skalieren und somit schneller mit einer erhoehten Auslastung umzugehen. Diese Methode setzt voraus, dass der Provider das Wissen und die Kontrolle über die in virtuellen Maschinen laufende Plattform hat. Der Provider ist dadurch als „Plattform als Service (PaaS)“ und als „Software als Service (SaaS)“ Provider definiert. Die zweite Methode bezieht sich auf die Clientseite und behandelt die horizontale Skalierbarkeit in einem Infrastruktur als Service (IaaS)-Model. Sie behandelt den Zielkonflikt zwischen den Kosten und der Performanz mit einer mehrzieloptimierten Loesung. Sie findet massstaebliche Schwellenwerte, die die hoechste Performanz mit der niedrigsten Steigerung der Kosten gewaehrleisten. Ausserdem ist in der zweiten Methode ein Algorithmus der Zeitreifenvorhersage verwendet, um die Applikation proaktiv zu skalieren und Perioden der nicht optimalen Ausnutzung zu vermeiden. Um die Performanz der Internetapplikation zu verbessern, haben wir zusaetzlich ein System entwickelt, das die unter Beeintraechtigung der Performanz leidenden virtuellen Maschinen findet und entfernt. Das entwickelte System ist eine leichtgewichtige Lösung, die keine Provider-Beteiligung verlangt. Um die Skalierbarkeit unserer Methoden und der entwickelten Algorithmen auszuwerten, haben wir einen Simulator namens „ScaleSim“ entwickelt. In diesem Simulator haben wir Komponenten implementiert, die als Skalierbarkeitskomponenten der Amazon EC2 agieren. Die aktuelle Skalierbarkeitsimplementierung in Amazon EC2 ist als Referenzimplementierung fuer die Messesung der Verbesserungen in der Performanz von skalierbaren Applikationen. Der Simulator wurde auf realistische Modelle der RUBiS-Benchmark angewendet, die aus einer echten Umgebung extrahiert wurden. Die Auslastung ist aus den Zugriffslogs der World Cup Website von 1998 erzeugt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung der Schwellenwerte und der angewendeten proaktiven Skalierbarkeit den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen bis um 88% reduziert kann, während sich die Kosten nur um 9% erhöhen.
KW  - Cloud Computing
KW  - Leistungsfähigkeit
KW  - Skalierbarkeit
KW  - Internetanwendungen
KW  - Cloud computing
KW  - Performance
KW  - Scalability
KW  - Internet applications
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68187
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TY  - THES
A1  - Dethloff, Frederik
T1  - In vivo 13C stable isotope tracing of single leaf development in the cold
T1  - Stabile 13C Isotopenmarkierung zur in vivo Untersuchung der Einzelblattentwicklung in der Kälte
N2  - Measuring the metabolite profile of plants can be a strong phenotyping tool, but the changes of metabolite pool sizes are often difficult to interpret, not least because metabolite pool sizes may stay constant while carbon flows are altered and vice versa. Hence, measuring the carbon allocation of metabolites enables a better understanding of the metabolic phenotype. The main challenge of such measurements is the in vivo integration of a stable or radioactive label into a plant without perturbation of the system. To follow the carbon flow of a precursor metabolite, a method is developed in this work that is based on metabolite profiling of primary metabolites measured with a mass spectrometer preceded by a gas chromatograph (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. submitted). This method generates stable isotope profiling data, besides conventional metabolite profiling data. In order to allow the feeding of a 13C sucrose solution into the plant, a petiole and a hypocotyl feeding assay are developed. To enable the processing of large numbers of single leaf samples, their preparation and extraction are simplified and optimised. The metabolite profiles of primary metabolites are measured, and a simple relative calculation is done to gain information on carbon allocation from 13C sucrose. This method is tested examining single leaves of one rosette in different developmental stages, both metabolically and regarding carbon allocation from 13C sucrose. It is revealed that some metabolite pool sizes and 13C pools are tightly associated to relative leaf growth, i.e. to the developmental stage of the leaf. Fumaric acid turns out to be the most interesting candidate for further studies because pool size and 13C pool diverge considerably. In addition, the analyses are also performed on plants grown in the cold, and the initial results show a different metabolite pool size pattern across single leaves of one Arabidopsis rosette, compared to the plants grown under normal temperatures. Lastly, in situ expression of REIL genes in the cold is examined using promotor-GUS plants. Initial results suggest that single leaf metabolite profiles of reil2 differ from those of the WT.
N2  - Messungen des pflanzlichen Metaboloms können ein hilfreiches Werkzeug sein, um Pflanzen zu phänotypisieren. Jedoch sind die Änderungen der Poolgrößen teilweise schwer zu interpretieren, weil sich nicht nur die Poolgrößen sondern auch die Kohlenstoffflüsse unabhängig voneinander ändern können. Werden nun zusätzlich Informationen über die Flüsse ermittelt, kann der pflanzliche Phänotyp deutlich genauer beschrieben werden. Die größte Herausforderung für diese Messungen ist die In-vivo-Integration einer stabilen oder radioaktiven Markierung in einer Pflanze, ohne das System dabei zu stören. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, um die Verteilung von Kohlenstoffen aus einer gefütterten Vorstufe zu messen. Die Messung basiert dabei auf einem Primärmetabolitenprofil, das mit Hilfe eines Massenspektrometers mit vorgeschaltetem Gaschromatographen erstellt wird (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. eingereicht). Mit dieser Methode ist es einfach möglich, stabile Isotopenprofildaten neben herkömmlichen Metabolitprofildaten zu erzeugen. Die Vorstufe, in diesem Fall 13C Saccharose, wird dazu mit Hilfe eines neuen Petiolen- und Hypokotyl-Fütterungs-Assay in die Pflanze gefüttert. Um die große Menge an Einzelblattproben aufzuarbeiten, die dabei anfallen, wird eine vereinfachte und optimierte Extraktion angewendet. Mit Hilfe einer einfachen Berechnung kann aus den Messdaten eine relative Verteilung des Kohlenstoffs aus 13C Saccharose bestimmt werden. Die Funktionalität dieses Verfahrens wird an Einzelblättern von Arabidopsis-Rosetten gezeigt, wobei sowohl Primärmetabolitenprofile als auch stabile Isotopenprofile erzeugt und untersucht werden. Es kann hierbei gezeigt werden, dass konventionelle Poolgrößen und 13C Poolgrößen einiger Metaboliten eng mit dem relativen Wachstum einzelner Blattpositionen bzw. mit dem jeweiligen Entwicklungsstadium der Blätter zusammenhängen. Anders als bei den meisten anderen Metaboliten zeigen die konventionellen Poolgrößen und 13C Poolgrößen von Fumarsäure ein unterschiedliches Verhalten in den einzelnen Blättern, was Fumarsäure zum interessantesten Kandidaten für weitere Studien macht. Die beschriebenen Untersuchungen werden weiterhin an in Kälte gewachsenen Pflanzen durchgeführt, wobei erste Ergebnisse ein verändertes Metabolitenprofil in den einzelnen Blättern zeigen. Des Weiteren wird die In-situ-Expression von REIL-Genen mit Hilfe von Promotor-GUS-Reportern untersucht. Erste Ergebnisse von Einzelblatt-Metabolitenprofilen der reil2 zeigen einen deutlichen Unterschied zum WT.
KW  - stable isotope tracing
KW  - metabolism
KW  - sucrose
KW  - carbon flow
KW  - qualitative pathway interpretation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70486
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frankovitch, Christine Marie
T1  - Optical methods for monitoring biological parameters of phototropic microorganisms during cultivation
T1  - Optische Verfahren zur Beobachtung biologischer Parameter während der Kultivierung phototropischer Mikroorganismen
N2  - Phototropic microalgae have a large potential for producing valuable substances for the feed, food, cosmetics, pigment, bioremediation, and pharmacy industries as well as for biotechnological processes. Today it is estimated that the microalgal aquaculture worldwide production is 5000 tons of dry matter per year (not taking into account processed products) making it an approximately $1.25 billion U.S. per year industry. In this work, several spectroscopic techniques were utilized for the investigation of microalgae cells. Specifically, photondensity wave spectroscopy was applied as a technique for the on-line observation of the culture. For effective evaluation of the photosynthetic growth processes, fast and non-invasive sensor systems that analyze the relevant biological and technical process parameters are preferred. Traditionally, the biomass in a photobioreactor is quantified with the help of turbidimetry measurements, which require extensive calibration. Another problem frequently encountered when using spectral analysis for investigating solutions is that samples of interest are often undiluted and highly scattering and do not adhere to Beer-Lambert's law. Due to the fluorescence properties of chlorophyll, fluorescence spectroscopy techniques including fluorescence lifetime imaging and single photon counting could be applied to provide images of the cells as well as determine the effects of excitation intensity on the fluorescence lifetime, which is an indicator of the condition of the cell. A photon density wave is a sinusoidally intensity-modulated optical wave stemming from a point-source of light, which propagates through diffuse medium and exhibits amplitude and phase variations. Light propagation though strongly scattering media can be described by the P1 approximation to the Boltzmann transport equation. Photon density wave spectroscopy enables the ability to differentiate between scattered and absorbed light, which is desired so that an independent determination of the reduced scattering and absorption coefficients can be made. The absorption coefficient is related to the pigment content in the cells, and the reduced scattering coefficient can be used to characterize physical and morphological properties of the medium and was here applied for the determination of the average cell size.
N2  - Phototropische Mikroalgen besitzen ein großes Potential für die Herstellung von wertvollen Substanzen sowohl für die Futtermittel-, Lebensmittel-, kosmetische und pharmazeutische Industrie, als auch für die Farbstoffsynthese. Heutzutage werden schätzungsweise 5000 Tonnen Mikroalgen Trockensubstanz pro Jahr mit einem Jahresumsatz von 1,25 Mrd. US-Dollar produziert. In dieser Arbeit wurden diverse spektroskopische Untersuchungsmethoden für die Betrachtung der Zellen verwendet. Die Photonendichtewellenspektroskopie (PDW) fand dabei insbesondere bei der on-line Beobachtung der Zellen Anwendung. Voraussetzungen für die effektive Beobachtung von photosynthetischen Wachstumsprozessen sind schnell und nicht-invasiv arbeitende Sensoren. Normalerweise wird die dabei zu untersuchende Biomasse in einem Photobioreaktor mittels Trübungsmessungen quantifiziert. Dies setzt jedoch eine sehr aufwendige Kalibration voraus. Da diese Proben zusätzlich meist in unverdünnter Form vorliegen, streuen sie stark und folgen daher nicht dem Lambert-Beer'schen Gesetz. Aufgrund der Fluoreszenzeigenschaften des Chlorophylls können fluoreszenzspektroskopische Methoden wie fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) und time correlated single photon counting (TCSPC) angwendet werden. Diese Methoden werden dabei für die visuelle Darstellung der Zellen und für die Messung der Fluoreszenzlebenszeit genutzt. Eine Photondichtewelle ist eine sinusförmig intensitätsmodulierte optische Welle, die sich, ausgehend von einer punktförmigen Lichtquelle, durch das untersuchte Medium ausbreitet, wobei sich Phase und Amplitude der Welle verändern. Die Ausbreitung der Welle wird von der P1-Näherung der Boltzmann-Transport-Gleichung beschrieben. Mittels PDW kann zwischen streuenden und absorbierenden Eigenschaften von trüben Probe unterschieden werden. Dies erlaubt die Absolutbestimmung des Absorptions- und reduzierten Streukoeffizienten, die für die Qualifizierung der Probe, insbesondere der Teilchengrößenbestimmung, herangezogen werden.
KW  - Photonendichtewellen
KW  - Mikroalgen
KW  - Photon density waves
KW  - Microalgae
KW  - On.Line Monitoring
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15403
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TY  - THES
A1  - Fürstenau, Cornelia
T1  - The impact of silvicultural strategies and climate change on carbon sequestration and other forest ecosystem functions
T1  - Der Einfluss von Waldbewirtschaftungsstrategien und Klimawandel auf die Kohlenstoffspeicherung und andere Waldfunktionen
N2  - Forests are a key resource serving a multitude of functions such as providing income to forest owners, supplying industries with timber, protecting water resources, and maintaining biodiversity. Recently much attention has been given to the role of forests in the global carbon cycle and their management for increased carbon sequestration as a possible mitigation option against climate change. Furthermore, the use of harvested wood can contribute to the reduction of atmospheric carbon through (i) carbon sequestration in wood products, (ii) the substitution of non-wood products with wood products, and (iii) through the use of wood as a biofuel to replace fossil fuels. Forest resource managers are challenged by the task to balance these multiple while simultaneously meeting economic requirements and taking into consideration the demands of stakeholder groups. Additionally, risks and uncertainties with regard to uncontrollable external variables such as climate have to be considered in the decision making process. In this study a scientific stakeholder dialogue with forest-related stakeholder groups in the Federal State of Brandenburg was accomplished. The main results of this dialogue were the definition of major forest functions (carbon sequestration, groundwater recharge, biodiversity, and timber production) and priority setting among them by the stakeholders using the pair-wise comparison technique. The impact of different forest management strategies and climate change scenarios on the main functions of forest ecosystems were evaluated at the Kleinsee management unit in south-east Brandenburg. Forest management strategies were simulated over 100 years using the forest growth model 4C and a wood product model (WPM). A current climate scenario and two climate change scenarios based on global circulation models (GCMs) HadCM2 and ECHAM4 were applied. The climate change scenario positively influenced stand productivity, carbon sequestration, and income. The impact on the other forest functions was small. Furthermore, the overall utility of forest management strategies were compared under the priority settings of stakeholders by a multi-criteria analysis (MCA) method. Significant differences in priority setting and the choice of an adequate management strategy were found for the environmentalists on one side and the more economy-oriented forest managers of public and private owned forests on the other side. From an ecological perspective, a conservation strategy would be preferable under all climate scenarios, but the business as usual management would also fit the expectations under the current climate. In contrast, a forest manager in public-owned forests or a private forest owner would prefer a management strategy with an intermediate thinning intensity and a high share of pine stands to enhance income from timber production while maintaining the other forest functions. The analysis served as an example for the combined application of simulation tools and a MCA method for the evaluation of management strategies under multi-purpose and multi-user settings with changing climatic conditions. Another focus was set on quantifying the overall effect of forest management on carbon sequestration in the forest sector and the wood industry sector plus substitution effects. To achieve this objective, the carbon emission reduction potential of material and energy substitution (Smat and Sen) was estimated based on a literature review. On average, for each tonne of dry wood used in a wood product substituting a non-wood product, 0.71 fewer tonnes of fossil carbon are emitted into to the atmosphere. Based on Smat and Sen, the calculation of the carbon emission reduction through substitution was implemented in the WPM. Carbon sequestration and substitution effects of management strategies were simulated at three local scales using the WPM and the forest growth models 4C (management unit level) or EFISCEN (federal state of Brandenburg and Germany). An investigation was conducted on the influence of uncertainties in the initialisation of the WPM, Smat, and basic conditions of the wood product sector on carbon sequestration. Results showed that carbon sequestration in the wood industry sector plus substitution effects exceeded sequestration in the forest sector. In contrast to the carbon pools in the forest sector, which acted as sink or source, the substitution effects continually reduced carbon emission as long as forests are managed and timber is harvested. The main climate protection function was investigated for energy substitution which accounted for about half of the total carbon sequestration, followed by carbon storage in landfills. In Germany, the absolute annual carbon sequestration in the forest and wood industry sector plus substitution effects was 19.9 Mt C. Over 50 years the wood industry sector contributed 70% of the total carbon sequestration plus substitution effects.
N2  - Wälder beeinflussen in vielfältiger Weise unser Leben. Für den Waldbesitzer sind sie Einkommensquelle, die Holzindustrie versorgen sie mit dem Rohstoff, aus dem unzählige Dinge für den täglichen Bedarfs hergestellt werden, wie zum Beispiel Baumaterialien, Möbel, Gartengeräte, Spielzeug und Papier. Außerdem versorgen Wälder uns mit sauberem Grundwasser, sind Lebensraum für Pflanzen und Tiere und tragen somit zum Erhalt der Artenvielfalt bei. Nicht zuletzt beeinflussen Wälder das Klimasystem, da sie der Atmosphäre das Treibhausgas CO2 entziehen und Kohlenstoff in Biomasse und Boden speichern. Förster stehen nun vor der anspruchsvollen Aufgabe, eine Balance zwischen den vielfältigen und oft auch gegensätzlichen Waldfunktionen zu finden und die Ansprüche von Interessengruppen wahrzunehmen. Zusätzlich müssen im waldbaulichen Entscheidungsprozess Risiken und Unsicherheiten durch unberechenbare externe Faktoren, wie das Klima, beachtet werden. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss von Klima und Waldbaustrategien auf Waldfunktionen zu untersuchen. Als Testgebiet fungierte das Revier Kleinsee im Südosten Brandenburgs, in dem Kiefern- und Eichenbestände vorherrschen. In einem wissenschaftlichen Dialog mit Angestellten der Forstbehörde, Privatwaldbesitzern, Vertretern von Naturschutzverbänden sowie Wissenschaftlern definierten die Teilnehmer die wichtigsten Waldfunktionen: Kohlenstoffspeicherung, Grundwasserneubildung, Biodiversität und Holzproduktion. Die Simulationen wurden mit Hilfe des Waldwachstumsmodells 4C und einem neu implementierten Holzproduktmodell (WPM) über einen Zeitraum von 100 Jahren durchgeführt. Dabei wurden den heutigen Klimabedingungen zwei Klimaänderungsszenarien gegenübergestellt, die auf den globalen Zirkulationsmodellen HadCM2 und ECHAM4 basieren. Es stellte sich heraus, dass unter den angenommenen Klimaänderungen das Wachstum der Bestände steigt und sich damit die Kohlenstoffspeicherung und der Ertrag aus Holzernten erhöht, wohingegen Biodiversität und Grundwasserneubildung nur sehr gering beeinflusst werden. Der Nutzen der Waldbewirtschaftungsstrategien für drei Interessensgruppen (Forstbehörde, private Waldbesitzer, Naturschutzvereine) wurde mit einer multikriteriellen Analysemethode bewertet. Dabei unterschieden sich die Rangfolge und Gewichtung der einzelnen Waldfunktionen sowie die daraus resultierende Wahl der Waldbaustrategien zwischen den Naturschützern einerseits sowie den stärker ökonomisch orientierten Landeswaldförstern und privaten Waldbesitzern anderseits. Naturschutzvereine bevorzugen das Einstellen der Waldbewirtschaftung, aber auch die aktuelle Waldbaustrategie, mit mäßiger Durchforstungsintensität und einem hohen Anteil an Eichenbeständen entspricht ihren Zielsetzungen. Dagegen lag die Präferenz der Landeswaldförster sowie privaten Waldbesitzer auf einer Walbaustrategie mit einem hohen Anteil an Kiefernbeständen, um den Ertrag unter Beachtung der anderen Waldfunktionen zu steigern. Als Fazit geht aus dieser Teilstudie hervor, dass die Bewertung von Waldbaustrategien hinsichtlich ihrer Eignung für eine multifunktionale Waldbewirtschaftung unter Beachtung von Ansprüchen verschiedener Interessengruppen und ungewissen klimatischen Bedingungen unter Verwendung von 4C und einer multikriteriellen Analysemethode sehr gut möglich ist. Besonderes Augenmerk galt dem Einfluss von Waldbaustrategien auf den Kohlenstoffkreislauf, wobei nicht nur die Kohlenstoffspeicherung im Wald, sondern auch in Holzprodukten, sowie die Verringerung von CO2-Emissionen durch energetische und stoffliche Nutzung von Holz betrachtet wurden. Die potentielle Reduktion von CO2-Emissionen durch das Ersetzen von Erzeugnissen und Energie aus nicht nachwachsenden Rohstoffen durch Holz (Smat und Sen) wurde basierend auf Daten verschiedener Studien geschätzt. Eine Sensitivitätsanalyse untersuchte Unsicherheiten bei der Initialisierung des WPMs und der Berechung von Smat. Verschiedene Szenarien führten zu einem besseren Verständnis dafür, wie sich Änderungen im Energiesektor und Holzproduktsektor auf das Potential, Kohlenstoff zu speichern bzw. CO2-Emissionen zu verringen auswirken. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reduzierung von CO2-Emissionen im Holzproduktsektor durch die Nutzung von Holz als Werkstoff und Brennstoff höher ist als durch die Akkumulation von Kohlenstoff im Wald. Im Gegensatz zu den Kohlenstoffspeichern im Wald, die sowohl Quellen als auch Senken sein können, werden durch die Nutzung von Holz CO2-Emissionen verringert, solange im Zuge der Waldbewirtschaftung Holz für die Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird. Simulationen auf Bundesebene ergaben, dass in Deutschland die Forst- und Holzwirtschaft jährlich dazu beitragen die CO2-Emissionen um 19,9 Mt Kohlenstoff zu verringern, wobei 70% auf die Holzindustrie und den Substitutionseffekt entfallen.
KW  - Kohlenstoffspeicherung
KW  - Waldwachstumsmodell 4C
KW  - Holzprodukte
KW  - Klimawandel
KW  - carbon sequestration
KW  - forest growth model 4C
KW  - wood products
KW  - climate change
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27657
ER  -