TY  - THES
A1  - Zöller, Gert
T1  - Critical states of seismicity : modeling and data analysis
T1  - Kritische Zustände seismischer Dynamik : Modellierung und Datenanalyse
N2  - The occurrence of earthquakes is characterized by a high degree of spatiotemporal complexity. Although numerous patterns, e.g. fore- and aftershock sequences, are well-known, the underlying mechanisms are not observable and thus not understood. Because the recurrence times of large earthquakes are usually decades or centuries, the number of such events in corresponding data sets is too small to draw conclusions with reasonable statistical significance. Therefore, the present study combines both, numerical modeling and analysis of real data in order to unveil the relationships between physical mechanisms and observational quantities. The key hypothesis is the validity of the so-called "critical point concept" for earthquakes, which assumes large earthquakes to occur as phase transitions in a spatially extended many-particle system, similar to percolation models. New concepts are developed to detect critical states in simulated and in natural data sets. The results indicate that important features of seismicity like the frequency-size distribution and the temporal clustering of earthquakes depend on frictional and structural fault parameters. In particular, the degree of quenched spatial disorder (the "roughness") of a fault zone determines whether large earthquakes occur quasiperiodically or more clustered. This illustrates the power of numerical models in order to identify regions in parameter space, which are relevant for natural seismicity. The critical point concept is verified for both, synthetic and natural seismicity, in terms of a critical state which precedes a large earthquake: a gradual roughening of the (unobservable) stress field leads to a scale-free (observable) frequency-size distribution. Furthermore, the growth of the spatial correlation length and the acceleration of the seismic energy release prior to large events is found. The predictive power of these precursors is, however, limited. Instead of forecasting time, location, and magnitude of individual events, a contribution to a broad multiparameter approach is encouraging.
N2  - Das Auftreten von Erdbeben zeichnet sich durch eine hohe raumzeitliche Komplexität aus. Obwohl zahlreiche Muster, wie Vor- und Nachbeben bekannt sind, weiß man wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen, da diese sich direkter Beobachtung entziehen. Die Zeit zwischen zwei starken Erdbeben in einer seismisch aktiven Region beträgt Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Folglich ist die Anzahl solcher Ereignisse in einem Datensatz gering und es ist kaum möglich, allein aus Beobachtungsdaten statistisch signifikante Aussagen über deren Eigenschaften abzuleiten. Die vorliegende Arbeit nutzt daher numerische Modellierungen einer Verwerfungszone in Verbindung mit Datenanalyse, um die Beziehung zwischen physikalischen Mechanismen und beobachteter Seismizität zu studieren. Die zentrale Hypothese ist die Gültigkeit des sogenannten "kritischen Punkt Konzeptes" für Seismizität, d.h. starke Erdbeben werden als Phasenübergänge in einem räumlich ausgedehnten Vielteilchensystem betrachtet, ähnlich wie in Modellen aus der statistischen Physik (z.B. Perkolationsmodelle). Es werden praktische Konzepte entwickelt, die es ermöglichen, kritische Zustände in simulierten und in beobachteten Daten sichtbar zu machen. Die Resultate zeigen, dass wesentliche Eigenschaften von Seismizität, etwa die Magnitudenverteilung und das raumzeitliche Clustern von Erdbeben, durch Reibungs- und Bruchparameter bestimmt werden. Insbesondere der Grad räumlicher Unordnung (die "Rauhheit") einer Verwerfungszone hat Einfluss darauf, ob starke Erdbeben quasiperiodisch oder eher zufällig auftreten. Dieser Befund zeigt auf, wie numerische Modelle genutzt werden können, um den Parameterraum für reale Verwerfungen einzugrenzen. Das kritische Punkt Konzept kann in synthetischer und in beobachteter Seismizität verifiziert werden. Dies artikuliert sich auch in Vorläuferphänomenen vor großen Erdbeben: Die Aufrauhung des (unbeobachtbaren) Spannungsfeldes führt zu einer Skalenfreiheit der (beobachtbaren) Größenverteilung; die räumliche Korrelationslänge wächst und die seismische Energiefreisetzung wird beschleunigt. Ein starkes Erdbeben kann in einem zusammenhängenden Bruch oder in einem unterbrochenen Bruch (Vorbeben und Hauptbeben) stattfinden. Die beobachtbaren Vorläufer besitzen eine begrenzte Prognosekraft für die Auftretenswahrscheinlichkeit starker Erdbeben - eine präzise Vorhersage von Ort, Zeit, und Stärke eines nahenden Erdbebens ist allerdings nicht möglich. Die genannten Parameter erscheinen eher vielversprechend als Beitrag zu einem umfassenden Multiparameteransatz für eine verbesserte zeitabhängige Gefährdungsabschätzung.
KW  - Seismizität
KW  - Erdbebenvorhersage
KW  - statistische Physik
KW  - mathematische Modellierung
KW  - Datenanalyse
KW  - seismicity
KW  - earthquake prediction
KW  - statistical physics
KW  - mathematical modeling
KW  - data analysis
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7427
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaks, Michael A.
T1  - Fractal Fourier spectra in dynamical systems
N2  - Eine klassische Art, die Dynamik nichtlinearer Systeme zu beschreiben, besteht in der Analyse ihrer Fourierspektren. Für periodische und quasiperiodische Prozesse besteht das Fourierspektrum nur aus diskreten Deltafunktionen. Das Spektrum einer chaotischen Bewegung ist hingegen durch das Vorhandensein einer stetigen Komponente gekennzeichnet. In der Arbeit geht es um einen eigenartigen, weder regulären noch vollständig chaotischen Zustand mit sogenanntem singulärstetigen Leistungsspektrum.  Unsere Analyse ergab verschiedene Fälle aus weit auseinanderliegenden Gebieten, in denen singulär stetige (fraktale) Spektren auftreten. Die Beispiele betreffen sowohl physikalische Prozesse, die auf iterierte diskrete Abbildungen oder gar symbolische Sequenzen reduzierbar sind, wie auch Prozesse, deren Beschreibung auf den gewöhnlichen oder partiellen Differentialgleichungen basiert.
N2  - One of the classical ways to describe the dynamics of nonlinear systems is to analyze theur Fourier spectra. For periodic and quasiperiodic processes the Fourier spectrum consists purely of discrete delta-functions. On the contrary, the spectrum of a chaotic motion is marked by the presence of the continuous component. In this work, we describe the peculiar, neither regular nor completely chaotic state with so called singular-continuous power spectrum.  Our investigations concern various cases from most different fields, where one meets the singular continuous (fractal) spectra. The examples include both the physical processes which can be reduced to iterated discrete mappings or even symbolic sequences, and the processes whose description is based on the ordinary or partial differential equations.
KW  - Nichtlineares dynamisches System / Harmonische Analyse / Fraktal
KW  - Dynamische Systeme
KW  - Leistungsspektrum
KW  - Autokorrelation
KW  - dynamical systems
KW  - power spectrum
KW  - autocorrelation
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000500
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaikin, Alexei
T1  - Noise-induced transitions and resonant effects in nonlinear systems
T1  - -
N2  - Unsere alltägliche Erfahrung ist mit verschiedenen akustischen Einfluessen wie Lärm, aber auch Musik verbunden. Jeder weiss, wie Lärm stören kann und Kommunikation behindert oder gar unterbindet. Ähnliche optische Effekte sind bekannt: starkes Schneetreiben oder Regengüsse verschlechtern die Sicht und lassen uns Umrisse nur noch schemenhaft erkennen. Jedoch koennen ähnliche Stimuli auch sehr positive Auswirkungen haben: Autofahrer fahren bei leiser Musik konzentrierter -- die Behauptung von Schulkindern, nur bei dröhnenden Bässen die Mathehausaufgaben richtig rechnen zu können, ist allerdings nicht wissenschaftlich erwiesen. Außerordentlich interessant aus dieser Sicht sind auch Reizleitungsprozesse: Reize werden nur weitergleitet, wenn die strukturlosen Signale der Neuronen mit ausreichend starker Intensität erfolgen, also ein Schwellwert überschritten ist.   Der Physiker Dr. Alexei Zaikin von der Universität Potsdam beschäftigt sich mit sogenannten rauschinduzierten Phänomenen aus theorischer Sicht. Sein Forschungsgebiet sind Prozesse, bei denen Rauschen mehrfach das Systemverhalten beeinflusst: ist es ausreichend gross, d.h. größer als ein kritischer Wert, wird eine reguläre Struktur gebildet, die durch das immernoch vorhandene Rauschen mit der Struktur des Nachbarsystems synchronisiert. Um ein solches System mit kritischem Wert zu erhalten, bedarf es einer weiteren Rauschquelle. Herr Zaikin analysierte noch weitere Beispiele solcher doppelt stochastischen Effekte. Die Ausarbeitung derartiger theoretischer Grundlagen ist wichtig, da diese Prozesse in der Neurophysik, in technischen Kommunikationssystemen und in den Lebenswissenschaften eine Rolle spielen.
N2  - Our every-day experience is connected with different acoustical noise or music. Usually noise plays the role of nuisance in any communication and destroys any order in a system. Similar optical effects are known: strong snowing or raining decreases quality of a vision. In contrast to these situations noisy stimuli can also play a positive constructive role, e.g. a driver can be more concentrated in a presence of quiet music. Transmission processes in neural systems are of especial interest from this point of view: excitation or information will be transmitted only in the case if a signal overcomes a threshold.  Dr. Alexei Zaikin from the Potsdam University studies noise-induced phenomena in nonlinear systems from a theoretical point of view. Especially he is interested in the processes, in which noise influences the behaviour of a system twice: if the intensity of noise is over a threshold, it induces some regular structure that will be synchronized with the behaviour of neighbour elements. To obtain such a system with a threshold one needs one more noise source. Dr. Zaikin has analyzed further examples of such doubly stochastic effects and developed a concept of these new phenomena. These theoretical findings are important, because such processes can play a crucial role in neurophysics, technical communication devices and living sciences.
T2  - Noise-induced transitions and resonant effects in nonlinear systems
KW  - Rauschinduzierte Phänomene
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Rauschen
KW  - Stochastische Resonanz
KW  - Noise-induced phenomena
KW  - stochastic processes
KW  - noise
KW  - stochastic resonance
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000761
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yuan, Jiayin
T1  - Poly(Ionic Liquid)s
BT  - innovative polyelectrolytes for materials applications
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yang, Haojin
T1  - Deep representation learning for multimedia data analysis
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weikl, Thomas R.
T1  - Transition states and loop-closure principles in protein folding
T1  - Übergangszustände und Schleifenschließungsprinzipien bei der Proteinfaltung
N2  - Proteins are chain molecules built from amino acids. The precise sequence of the 20 different types of amino acids in a protein chain defines into which structure a protein folds, and the three-dimensional structure in turn specifies the biological function of the protein. The reliable folding of proteins is a prerequisite for their robust function. Misfolding can lead to protein aggregates that cause severe diseases, such as Alzheimer's, Parkinson's, or the variant Creutzfeldt-Jakob disease. Small single-domain proteins often fold without experimentally detectable metastable intermediate states. The folding dynamics of these proteins is thought to be governed by a single transition-state barrier between the unfolded and the folded state. The transition state is highly instable and cannot be observed directly. However, mutations in which a single amino acid of the protein is substituted by another one can provide indirect access. The mutations slightly change the transition-state barrier and, thus, the folding and unfolding times of the protein. The central question is how to reconstruct the transition state from the observed changes in folding times. In this habilitation thesis, a novel method to extract structural information on transition states from mutational data is presented. The method is based on (i) the cooperativity of structural elements such as alpha-helices and beta-hairpins, and (ii) on splitting up mutation-induced free-energy changes into components for these elements. By fitting few parameters, the method reveals the degree of structure formation of alpha-helices and beta-hairpins in the transition state. In addition, it is shown in this thesis that the folding routes of small single-domain proteins are dominated by loop-closure dependencies between the structural elements.
N2  - Proteine sind Kettenmoleküle, die aus einzelnen Aminosäuren aufgebaut sind. Die genaue Sequenz der 20 verschiedenartigen Aminosäuren innerhalb der Proteinkette bestimmt dabei, in welche spezielle Struktur sich ein Protein faltet. Die dreidimensionale Struktur bestimmt wiederum die Funktion der Proteine. Doch nur korrekt gefaltet kann ein Protein seine Funktion erfüllen. Fehler bei der Faltung können zu Proteinaggregaten führen, die schwere Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder das Creutzfeldt-Jakob-Syndrom hervorrufen. Viele kleine Proteine falten ohne experimentell beobachtbare metastabile Zwischenzustände. Entscheidend für die Faltungsdynamik dieser Proteine ist der Übergangszustand zwischen dem ungefalteten und gefalteten Zustand. Der Übergangszustand ist instabil und kann nicht direkt beobachtet werden. Einen indirekten Zugang ermöglichen jedoch Mutationen eines Proteins, bei denen einzelne Aminosäuren ausgetauscht werden. Die Mutationen verändern geringfügig die Übergangszustandsbarriere, und damit die Faltungs- und Entfaltungszeiten des Proteins. Die zentrale Frage ist, wie sich der Übergangszustand aus den beobachteten Änderungen der Faltungszeit rekonstruieren lässt. In dieser Habilitationsschrift wird eine neuartige Methode zur Rekonstruktion von Übergangszuständen aus Mutationsdaten vorgestellt. Die Methode beruht auf (i) der Kooperativität von Strukturelementen wie alpha-Helizes und beta-Haarnadeln, und (ii) der Aufspaltung von mutationsinduzierten Veränderungen der freien Energie in Komponenten für diese Strukturelemente. Die Modellierung der experimentellen Daten verrät, in welchem Grad alpha-Helizes and beta-Haarnadeln im Übergangszustand strukturiert sind. Zudem wird in dieser Habilitationsschrift gezeigt, dass die Faltungswege vieler kleiner Proteine durch Schleifenschließungsbeziehungen zwischen den Strukturelementen dominiert werden.
KW  - Proteinfaltung
KW  - Faltungsdynamik
KW  - Übergangszustand
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Schleifenschließung
KW  - protein folding
KW  - folding dynamics
KW  - transition state
KW  - stochastic processes
KW  - loop closure
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-26975
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weckmann, Ute
T1  - Die elektrische Leitfähigkeit von fossilen Störungszonen und Mobile Belts
T1  - The electrical conductivity of fossil shear zones and mobile belts
N2  - In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Experimente zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Sutur- und Kollisionszonen im Zusammenhang diskutiert, um die Möglichkeiten, die die moderne Magnetotellurik (MT) für das Abbilden fossiler tektonischer Systeme bietet, aufzuzeigen. Aus den neuen hochauflösenden Abbildern der elektrischen Leitfähigkeit können potentielle Gemeinsamkeiten verschiedener tektonischer Einheiten abgeleitet werden. Innerhalb der letzten Dekade haben sich durch die Weiterentwicklung der Messgeräte und der Auswerte- und Interpretationsmethoden völlig neue Perspektiven für die geodynamische Tiefensondierung ergeben. Dies wird an meinen Forschungsarbeiten deutlich, die ich im Rahmen von Projekten selbst eingeworben und am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam durchgeführt habe. In Tabelle A habe ich die in dieser Arbeit berücksichtigten Experimente aufgeführt, die in den letzten Jahren entweder als Array- oder als Profilmessungen durchgeführt wurden. Für derart große Feldexperimente benötigt man ein Team von WissenschaftlerInnen, StudentInnen und technischem Personal. Das bedeutet aber auch, dass von mir betreute StudentInnen und DoktorandInnen Teilaspekte dieser Experimente in Form von Diplom-, Bachelor- und Mastersarbeiten oder Promotionsschriften verarbeitet haben. Bei anschließender Veröffentlichung der Arbeiten habe ich als Co-Autor mitgewirkt. Die beiliegenden Veröffentlichungen enthalten eine Einführung in die Methode der Magnetotellurik und gegebenenfalls die Beschreibung neu entwickelter Methoden. Eine allgemeine Darstellung der theoretischen Grundlagen der Magnetotellurik findet man zum Beispiel in Chave & Jones (2012); Simpson & Bahr (2005); Kaufman & Keller (1981); Nabighian (1987); Weaver (1994). Die Arbeit beinhaltet zudem ein Glossar, in dem einige Begriffe und Abkürzungen erklärt werden. Ich habe mich entschieden, Begriffe, für die es keine adäquate deutsche Übersetzung gibt oder die im Deutschen eine andere oder missverständliche Bedeutung bekommen, auf Englisch in der Arbeit zu belassen. Sie sind durch eine kursive Schreibweise gekennzeichnet.
N2  - In this habilitation thesis, I present and discuss different experiments to study the electrical conductivity of fossil shear zones, suture and continental collision zones, particularly in view of the possibilities offered by modern magnetotellurics (MT). With new high-resolution images of the electrical conductivity, properties of different tectonic units, environments and their evolution can be derived and compared. Within the past decade, advanced data acquisition systems together with novel analysis and interpretation methods have fostered burgeoning and completely new perspectives for electromagnetic depth sounding. This is impressively reflected in my research and proposed projects which were performed at the German Research Centre for Geosciences. The overview table contains research projects and field experiments that were carried out in recent years either with an array or a profile station layout. For conducting such large field experiments, a team of scientists, students and technicians is necessary; however, this also means that parts of this research has been done by (doctoral) students supervised by myself within the framework of their PhD, Diploma, Bachelor or Masters projects. In this case I have co-authored resulting publications. Some of the publications and the introductory chapters of this thesis include an introduction to the Magnetotelluric method and describe own methodological development work. A general theoretical background of MT can be found for example in Chave et al. (2012); Simpson et al. (2005); Kaufman et al. (1981); Nabighian (1987); Weaver (1994). The work also includes a glossary of some terms and abbreviations relevant for this thesis. The thesis is written in German, although the publications are in English. I have decided to keep English terms for which there is no adequate German translation or which have a different or ambiguous meaning in German. They are indicated by italic script.
KW  - Magnetotellurik
KW  - Störungszonen
KW  - elektrische Leitfähigkeit
KW  - Mobile Belts
KW  - electrical conductivity
KW  - Magnetotellurics
KW  - continental collision zones
KW  - suture zones
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-88820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagner, Dirk
T1  - Microbial perspectives of the methane cycle in permafrost ecosystems in the Eastern Siberian Arctic : implications for the global methane budget
N2  - The Arctic plays a key role in Earth’s climate system as global warming is predicted to be most pronounced at high latitudes and because one third of the global carbon pool is stored in ecosystems of the northern latitudes. In order to improve our understanding of the present and future carbon dynamics in climate sensitive permafrost ecosystems, the present study concentrates on investigations of microbial controls of methane fluxes, on the activity and structure of the involved microbial communities, and on their response to changing environmental conditions. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects trace gas flux measurements to soil ecological characterisation of permafrost habitats and molecular ecological analyses of microbial populations. Furthermore, methanogenic archaea isolated from Siberian permafrost have been used as potential keystone organisms for studying and assessing life under extreme living conditions. Long-term studies on methane fluxes were carried out since 1998. These studies revealed considerable seasonal and spatial variations of methane emissions for the different landscape units ranging from 0 to 362 mg m-2 d-1. For the overall balance of methane emissions from the entire delta, the first land cover classification based on Landsat images was performed and applied for an upscaling of the methane flux data sets. The regionally weighted mean daily methane emissions of the Lena Delta (10 mg m-2 d-1) are only one fifth of the values calculated for other Arctic tundra environments. The calculated annual methane emission of the Lena Delta amounts to about 0.03 Tg. The low methane emission rates obtained in this study are the result of the used remotely sensed high-resolution data basis, which provides a more realistic estimation of the real methane emissions on a regional scale. Soil temperature and near soil surface atmospheric turbulence were identified as the driving parameters of methane emissions. A flux model based on these variables explained variations of the methane budget corresponding to continuous processes of microbial methane production and oxidation, and gas diffusion through soil and plants reasonably well. The results show that the Lena Delta contributes significantly to the global methane balance because of its extensive wetland areas. The microbiological investigations showed that permafrost soils are colonized by high numbers of microorganisms. The total biomass is comparable to temperate soil ecosystems. Activities of methanogens and methanotrophs differed significantly in their rates and distribution patterns along both the vertical profiles and the different investigated soils. The methane production rates varied between 0.3 and 38.9 nmol h-1 g-1, while the methane oxidation ranged from 0.2 to 7.0 nmol h-1 g-1. Phylogenetic analyses of methanogenic communities revealed a distinct diversity of methanogens affiliated to Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae and Methanosaetaceae, which partly form four specific permafrost clusters. The results demonstrate the close relationship between methane fluxes and the fundamental microbiological processes in permafrost soils. The microorganisms do not only survive in their extreme habitat but also can be metabolic active under in situ conditions. It was shown that a slight increase of the temperature can lead to a substantial increase in methanogenic activity within perennially frozen deposits. In case of degradation, this would lead to an extensive expansion of the methane deposits with their subsequent impacts on total methane budget. Further studies on the stress response of methanogenic archaea, especially Methanosarcina SMA-21, isolated from Siberian permafrost, revealed an unexpected resistance of the microorganisms against unfavourable living conditions. A better adaptation to environmental stress was observed at 4 °C compared to 28 °C. For the first time it could be demonstrated that methanogenic archaea from terrestrial permafrost even survived simulated Martian conditions. The results show that permafrost methanogens are more resistant than methanogens from non-permafrost environments under Mars-like climate conditions. Microorganisms comparable to methanogens from terrestrial permafrost can be seen as one of the most likely candidates for life on Mars due to their physiological potential and metabolic specificity.
N2  - Die Arktis spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem unserer Erde aus zweierlei Gründen. Zum einen wird vorausgesagt, dass die globale Erwärmung in den hohen Breiten am ausgeprägtesten sein wird. Zum anderen ist ein Drittel des globalen Kohlenstoffs in Ökosystemen der nördlichen Breiten gespeichert. Um ein besseres Verständnis der gegenwärtigen und zukünftigen Entwicklung der Kohlenstoffdynamik in klimaempfindlichen Permafrostökosystemen zu erlangen, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Untersuchungen zur Kontrolle der Methanflüsse durch Mikroorganismen, auf die Aktivität und Struktur der beteiligten Mikroorganismen-gemeinschaften und auf ihre Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen. Zu diesem Zweck wurde eine integrierte Forschungsstrategie entwickelt, die Spurengasmessungen mit boden- und molekularökologischen Untersuchungen der Mikroorganismengemeinschaften verknüpft. Langzeitmessungen zu den Methanflüssen werden seit 1998 durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigten beträchtliche saisonale und räumliche Schwankungen der Methanemissionen auf, die zwischen 0 und 362 mg m-2 d-1 für die untersuchten Landschaftseinheiten schwankten. Für die Bilanzierung der Methanemissionen für das gesamte Delta wurde erstmals eine Klassifikation der unterschiedlichen Landschaftseinheiten anhand von Landsat-Aufnahmen durchgeführt und für eine Hochrechnung der Methandaten genutzt. Die Mittelwerte der regional gewichteten täglichen Methanemissionen des Lenadeltas (10 mg m-2 d-1) sind nur ein Fünftel so hoch wie die berechneten Werte für andere arktische Tundren. Die errechnete jährliche Methanemission des Lenadeltas beträgt demnach ungefähr 0,03 Tg. Die geringen Methanemissionsraten dieser Studie können durch den bisher noch nicht realisierten integrativen Ansatz, der Langzeitmessungen und Landschafts-klassifizierungen beinhaltet, erklärt werden. Bodentemperatur und oberflächennahe atmosphärische Turbulenzen wurden als die antreibenden Größen der Methanfreisetzung identifiziert. Ein Modell, das auf diesen Variablen basiert, erklärt die Veränderungen der Methanflüsse gemäß der dynamischen mikrobiellen Prozesse und der Diffusion von Methan durch den Boden und die Pflanzen zutreffend. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lenadelta erheblich zur globalen Methanemission aufgrund seiner weitreichenden Feuchtgebiete beiträgt. Die mikrobiologischen Untersuchungen zeigten, dass Permafrostböden durch eine hohe Anzahl von Mikroorganismen besiedelt wird. Die Gesamtbiomasse ist dabei mit Bodenökosystemen gemäßigter Klimate vergleichbar. Die Stoffwechselaktivitäten von methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien unterschieden sich erheblich in ihrer Rate und Verteilung im Tiefenprofil sowie zwischen den verschiedenen untersuchten Böden. Die Methanbildungsrate schwankte dabei zwischen 0,3 und 38,9 nmol h-1 g-1, während die Methanoxidation eine Rate von 0,2 bis 7,0 nmol h-1 g-1 aufwies. Phylogenetische Analysen der methanogenen Mikro-organismengemeinschaften zeigten eine ausgeprägte Diversität der methanogenen Archaeen auf. Die Umweltsequenzen bildeten vier spezifische Permafrostcluster aus, die den Gruppen Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae und Methano-saetaceae zugeordnet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methanfreisetzung durch die zugrunde liegenden mikrobiologischen Prozesse im Permafrostboden gesteuert wird. Die beteiligten Mikroorganismen überleben nicht nur in ihrem extremen Habitat, sondern zeigten auch Stoffwechselaktivität unter in-situ-Bedingungen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine geringfügige Zunahme der Temperatur zu einer erheblichen Zunahme der Methanbildungsaktivität in den ständig gefrorenen Permafrostablagerungen führen kann. Im Falle der Permafrostdegradation würde dieses zu einer gesteigerten Freisetzung von Methan führen mit bisher unbekannten Auswirkungen auf das Gesamtbudget der Methanfreistzung aus arktischen Gebieten. Weitere Untersuchungen zur Stresstoleranz von methanogenen Archaeen – insbesondere des neuen Permafrostisolates Methanosarcina SMA-21 - weisen eine unerwartete Widerstandsfähigkeit der Mikroorganismen gegenüber ungünstigen Lebensbedingungen auf. Eine bessere Anpassung an Umweltstress wurde bei 4°C im Vergleich zu 28°C beobachtet. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass methanogene Archaeen aus terrestrischem Permafrost unter simulierten Marsbedingungen unbeschadet überleben. Die Ergebnisse zeigen, dass methanogene Archaeen aus Permafrostböden resistenter gegenüber Umweltstress und Marsbedingungen sind als entsprechende Mikroorganismen aus Habitaten, die nicht durch Permafrost gekennzeichnet sind. Mikroorganismen, die den Archaeen aus terrestrischen Permafrosthabitaten ähneln, können als die wahrscheinlichsten Kandidaten für mögliches Leben auf dem Mars angesehen werden.
KW  - Methankreislauf
KW  - mikrobielle Prozesse
KW  - Diversität
KW  - Spurengasflüsse
KW  - Permafrostökosysteme
KW  - methane cycle
KW  - microbial processes
KW  - diversity
KW  - trace gas fluxes
KW  - permafrost ecosystems
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vogel, Heike
T1  - Genetics of obesity and type 2 diabetes
N2  - By using mouse outcross populations in combination with bioinformatic approaches, it was possible to identify and characterize novel genes regulating body weight, fat mass and β-cell function, which all contribute to the pathogenesis of obesity and T2D. In detail, the presented studies identified 1. Ifi202b/IFI16 as adipogenic gene involved in adipocyte commitment, maintenance of white adipocyte identity, fat cell size and the inflammatory state of adipose tissue. 2. Pla2g4a/PLA2G4A as gene linked to increased body weight and fat mass with a higher expression in adipose tissue of obese mice and pigs as well as in obese human subjects. 3. Ifgga2/IRGM as novel regulator of lipophagy protecting from excess hepatic lipid accumulation. 4. Nidd/DBA as a diabetogenic locus containing Kti12, Osbpl9, Ttc39a and Calr4 with differential expression in pancreatic islets and/or genetic variants. 5. miR-31 to be higher expressed in adipose tissue of obese and diabetic mice and humans targeting PPARy and GLUT4 and thereby involved in adipogenesis and insulin signaling. 6. Gjb4 as novel gene triggering the development of T2D by reducing insulin secretion, inducing apoptosis and inhibiting proliferation. The performed studies confirmed the complexity and strong genetic heritability character of obesity and T2D. A high number of genetic variations, each with a small effect, are collectively influencing the degree and severity of the disease. The use of mouse outcross populations is a valid tool for disease gene identification; however, to facilitate and accelerate the process of gene identification the combination of mouse cross data with advanced sequencing resources and the publicly available data sets are essential. The main goal for future studies should be the translation of these novel molecular discoveries to useful treatment therapies. More recently, several classes of novel unimolecular combination therapeutics have emerged with superior efficacy than currently prescribed options and pose the potential to reverse obesity and T2D (Finan et al., 2015). The glucagon-like peptide-1 (GLP-1)- estrogen conjugate, which targets estrogen into cells expressing GLP-1 receptors, was shown to improve energy, glucose and lipid metabolism as well as to reduce food reward (Finan et al., 2012; Schwenk et al., 2014; Vogel et al., 2016). Another possibility is the development of miRNA-based therapeutics to prevent obesity and T2D, such as miRNA mimetics, anti-miRNA oligonucleotides and exosomes loaded with miRNAs (Ji and Guo, 2019; Gottmann et al., 2020). As already described, genome-wide association studies for polygenic obesity and T2D traits in humans have also led to the identification of numerous gene variants with modest effect, most of them having an unknown function (Yazdi et al., 2015). These discoveries resulted in novel animal models and have illuminated new biologic pathways. Therefore, the integration of mouse-human genetic approaches and the utilization of the synergistic effects have the potential to lead to the identification of more genes responsible for common Mendelian forms of obesity and T2D, as well as gene × gene and gene × environment interactions (Yazdi et al., 2015; Ingelsson and McCarthy, 2018). This combination may help to unravel the missing heritability of obesity and T2D, to identify novel drug targets and to design more efficient and personalized obesity prevention and management programs.
Y1  - 2021
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vocks, Christian
T1  - Electron kinetic processes in the solar corona and wind
T1  - Elektronenkinetische Prozesse in der Korona der Sonne und im Sonnenwind
N2  - The Sun is surrounded by a 10^6 K hot atmosphere, the corona. The corona and the solar wind are fully ionized, and therefore in the plasma state. Magnetic fields play an important role in a plasma, since they bind electrically charged particles to their field lines. EUV spectroscopes, like the SUMER instrument on-board the SOHO spacecraft, reveal a preferred heating of coronal ions and strong temperature anisotropies. Velocity distributions of electrons can be measured directly in the solar wind, e.g. with the 3DPlasma instrument on-board the WIND satellite. They show a thermal core, an anisotropic suprathermal halo, and an anti-solar, magnetic-field-aligned, beam or "strahl". For an understanding of the physical processes in the corona, an adequate description of the plasma is needed. Magnetohydrodynamics (MHD) treats the plasma simply as an electrically conductive fluid. Multi-fluid models consider e.g. protons and electrons as separate fluids. They enable a description of many macroscopic plasma processes. However, fluid models are based on the assumption of a plasma near thermodynamic equilibrium. But the solar corona is far away from this. Furthermore, fluid models cannot describe processes like the interaction with electromagnetic waves on a microscopic scale. Kinetic models, which are based on particle velocity distributions, do not show these limitations, and are therefore well-suited for an explanation of the observations listed above. For the simplest kinetic models, the mirror force in the interplanetary magnetic field focuses solar wind electrons into an extremely narrow beam, which is contradicted by observations. Therefore, a scattering mechanism must exist that counteracts the mirror force. In this thesis, a kinetic model for electrons in the solar corona and wind is presented that provides electron scattering by resonant interaction with whistler waves. The kinetic model reproduces the observed components of solar wind electron distributions, i.e. core, halo, and a "strahl" with finite width. But the model is not only applicable on the quiet Sun. The propagation of energetic electrons from a solar flare is studied, and it is found that scattering in the direction of propagation and energy diffusion influence the arrival times of flare electrons at Earth approximately to the same degree. In the corona, the interaction of electrons with whistler waves does not only lead to scattering, but also to the formation of a suprathermal halo, as it is observed in interplanetary space. This effect is studied both for the solar wind as well as the closed volume of a coronal magnetic loop. The result is of fundamental importance for solar-stellar relations. The quiet solar corona always produces suprathermal electrons. This process is closely related to coronal heating, and can therefore be expected in any hot stellar corona. In the second part of this thesis it is detailed how to calculate growth or damping rates of plasma waves from electron velocity distributions. The emission and propagation of electron cyclotron waves in the quiet solar corona, and that of whistler waves during solar flares, is studied. The latter can be observed as so-called fiber bursts in dynamic radio spectra, and the results are in good agreement with observed bursts.
N2  - Die Sonne ist von einer 10^6 K heißen Atmosphäre, der Korona, umgeben. Sie ist ebenso wie der Sonnenwind vollständig ionisiert, also ein Plasma. Magnetfelder spielen in einem Plasma eine wichtige Rolle, da sie elektrisch geladene Teilchen an ihre Feldlinien binden. EUV-Spektroskope, wie SUMER auf der Raumsonde SOHO, zeigen eine bevorzugte Heizung koronaler Ionen sowie starke Temperaturanisotropien. Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen können im Sonnenwind direkt gemessen werden, z.B. mit dem 3DPlasma Instrument auf dem Satelliten WIND. Sie weisen einen thermischen Kern, einen isotropen suprathermischen Halo, sowie einen anti-solaren, magnetfeldparallelen Strahl auf. Zum Verständnis der physikalischen Prozesse in der Korona wird eine geeignete Beschreibung des Plasms benötigt. Die Magnetohydrodynamik (MHD) betrachtet das Plasma einfach als elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Mehrflüssigkeitsmodelle behandeln z.B. Protonen und Elektronen als getrennte Fluide. Damit lassen sich viele makroskopische Vorgänge beschreiben. Fluidmodelle basieren aber auf der Annahme eines Plasmas nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Doch die Korona ist weit davon entfernt. Ferner ist es mit Fluidmodellen nicht möglich, Prozesse wie die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen mikroskopisch zu beschreiben. Kinetische Modelle, die Geschwindigkeitsverteilungen beschreiben, haben diese Einschränkungen nicht und sind deshalb geeignet, die oben genannten Messungen zu erklären. Bei den einfachsten Modellen bündelt die Spiegelkraft im interplanetaren Magnetfeld die Elektronen des Sonnenwinds in einen extrem engen Strahl, im Widerspruch zur Beobachtung. Daher muss es einen Streuprozess geben, der dem entgegenwirkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein kinetisches Modell für Elektronen in der Korona und im Sonnenwind präsentiert, bei dem die Elektronen durch resonante Wechselwirkung mit Whistler-Wellen gestreut werden. Das kinetische Modell reproduziert die beobachteten Bestandteile von Elektronenverteilungen im Sonnenwind, d.h. Kern, Halo und einen Strahl endlicher Breite. Doch es ist nicht nur auf die ruhige Sonne anwendbar. Die Ausbreitung energetischer Elektronen eines solaren Flares wird untersucht und dabei festgestellt, dass Streuung in Ausbreitungsrichtung und Diffusion in Energie die Ankunftszeiten von Flare-Elektronen bei der Erde in etwa gleichem Maße beeinflussen. Die Wechselwirkung von Elektronen mit Whistlern führt in der Korona nicht nur zu Streuung, sondern auch zur Erzeugung eines suprathermischen Halos, wie er im interplanetaren Raum gemessen wird. Dieser Effekt wird sowohl im Sonnenwind als auch in einem geschlossenen koronalen Magnetfeldbogen untersucht. Das Ergebnis ist von fundamentaler Bedeutung für solar-stellare Beziehungen. Die ruhige Korona erzeugt stets suprathermische Elektronen. Dieser Prozeß ist eng mit der Koronaheizung verbunden, und daher in jeder heißen stellaren Korona zu erwarten. Im zweiten Teil der Arbeit wird beschrieben, wie sich aus der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die Dämpfung oder Anregung von Plasmawellen berechnen lässt. Die Erzeugung und Ausbreitung von Elektronenzyklotronwellen in der ruhigen Korona und von Whistlern während solarer Flares wird untersucht. Letztere sind als sogenannte fiber bursts in dynamischen Radiospektren beobachtbar, und die Ergebnisse stimmen gut mit beobachteten Bursts überein.
KW  - Sonnenkorona
KW  - Plasmaphysik
KW  - kinetische Theorie
KW  - Elektronen-Geschwindigkeitsverteilungen
KW  - Whistler-Wellen
KW  - Solar corona
KW  - plasma physics
KW  - kinetic theory
KW  - electron velocity distributions
KW  - whistler waves
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65259
ER  -