TY  - THES
A1  - Hahn, Harald
T1  - Modularer Ansatz zu multifunktionellen Polymer-Peptid-Fasern
T1  - Modular strategy to multifunctional polymer-peptide-fibers
N2  - Die Kombination von Polymeren mit Peptiden vereint die Eigenschaften beider Stoffklassen miteinander. Dabei können die strukturbildenden Eigenschaften der Peptide genutzt werden, um Polymere zu organisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Polymer-Peptid-Konjugat verwendet, das sich in Wasser zu Bändern anordnet. Die treibende Kraft für diesen Prozess ist die Anordnung des Peptidteils zu β-Faltblattstrukturen. Das Polymer-Peptid-Aggregat besitzt einen Peptidkern mit funktionalen Oberflächen, der lateral von einer Polyethylenoxidschale umgeben ist. Durch Änderung der Peptidsequenz war es bisher möglich, die Eigenschaften dieser Fasern zu variieren. In der Arbeit wird ein modularer Ansatz zur vielfältigen Modifizierung einer Polymer-Peptid-Faser entwickelt. So ist es möglich, die Eigenschaften der Fasern einzustellen, ohne die strukturbildende β-Faltblattsequenz verändern zu müssen. Um weitere Funktionen an den Fasern anzubringen, wurde die 1,3-dipolaren Addition verwendet. Diese Reaktion beschreibt die konzertierte Umlagerung eines Azides mit einem Alkin. Sie ist in den meisten Lösungsmitteln unter hohen Ausbeuten durchführbar. Im Rahmen der Arbeit wird die Erzeugung von Aziden untersucht und auf die Polymer-Peptid-Fasern übertragen. Der Diazotransfer stellte dabei die Methode der Wahl dar, so können Azidgruppen aus Aminen gewonnen werden. Unter Verwendung der 1,3-dipolaren Addition konnten verschiedene alkinfunktionale Moleküle kovalent an die azidfunktionalisierten Polymer-Peptid-Fasern gebunden werden. So wurde ein Fluoreszenzfarbstoff an die Fasern gebunden, der eine Abbildung der Fasern mittels konfokaler Mikroskopie erlaubte. Weiterhin wurden die Eigenschaften der Fasern durch Addition dreier carboxylfunktionaler Moleküle modifiziert. Diese Fasern konnten weiter genutzt werden, um Kalzium zu binden. Dabei variierte die Anzahl der gebundenen Kalziumionen in Abhängigkeit der jeweiligen Fasermodifikation erheblich. Weitere Untersuchungen, die Morphologie von Kalziumcarbonatkristallen betreffend, werden aktuell durchgeführt. Die kovalente Anbringung eines reduzierenden Zuckers an die Polymer-Peptid-Fasern erlaubt die Abscheidung von Silber aus Tollens Reagenz. Durch eine Entwicklung analog zur Schwarz-Weiss-Photographie können in nachfolgenden Arbeiten so Silberdrähte in Nanogröße erzeugt werden. An die azidfunktionalen Fasern können weitere funktionale Moleküle angebracht werden, um die Eigenschaften und das Anwendungsspektrum der Polymer-Peptid-Fasern zu erweitern.
N2  - The combination of polymer with peptides combines the advantages of both substance classes. It is possible to use peptide structure-forming properties to assemble polymers. In my current research, a self assembling Polymer-Peptide-Conjugate was used, which forms ribbon-like structures in water. The peptide tendency to form β-sheets is the driving force for this process. The resulting Polymer-Peptide-Aggregate is build up of a core shell model, where the peptides are the core and the polymer (polyethylene oxide) is the lateral suited shell. A new peptide synthesis was necessary in order to change the functional groups in the peptide core. In my present work a modular strategy was developed to get access to various types of modified Polymer-Peptide-Fiber. This allows adjustiment to the fiber properties without changing the structure forming b‑sheet sequence. To apply these functions, 1,3‑dipolar addition was used. This reaction described the simultaneous reactions of alkynes and azides. The reaction occurs in most solvents under high yields. In the context of this work, the generation of azides was investigated and transferred to the Polymer-Peptide-Fibers. Diazotransfer was the chosen method to transfer primary amines into azidefunctions at the fiber surface. With the use of 1,3‑dipolar addition it was possible to bind alkyne functionalized molecules covalent to the azide functionalized fibers. A fluorescent dye was bound to the fibers to image these fibers with confocal microscopy. The properties of the azide fibers were further modified to incorporation three different carboxylic molecules. These fibers were used to estimate the calcium binding affinity. Thus, differing the number of bonded calcium is a function of the used fiber attachment. Investigations concerning the morphology of Calcium carbonate crystals can be done. The covalent attachment of reducing sugar to the Polymer-Peptide-Fibers should will allow the production of silver(0)clusters along the fibers with the use of Tollens´ reagent. With the help of a developer solution, similar to black and white photography, the possibility to archive silverrods in nanometer size can be obtained. The applied modifications on fibers is hence a promising first step in altering fibers in which by adjusting its properties, we broaden the applications of these Polymer-Peptide-Fibers.
KW  - Polymer
KW  - Peptide
KW  - selbstanordnend
KW  - Klick Chemie
KW  - Dizotransfer
KW  - polymer
KW  - peptide
KW  - selfassembling
KW  - click chemistry
KW  - diazotransfer
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brune, Sascha
T1  - Landslide generated tsunamis : numerical modeling and real-time prediction
T1  - Tsunamis, die durch unterseeische Rutschungen angeregt werden : numerische Modellierung und Echtzeit-Vorhersage
N2  - Submarine landslides can generate local tsunamis posing a hazard to human lives and coastal facilities. Two major related problems are: (i) quantitative estimation of tsunami hazard and (ii) early detection of the most dangerous landslides. This thesis focuses on both those issues by providing numerical modeling of landslide-induced tsunamis and by suggesting and justifying a new method for fast detection of tsunamigenic landslides by means of tiltmeters. Due to the proximity to the Sunda subduction zone, Indonesian coasts are prone to earthquake, but also landslide tsunamis. The aim of the GITEWS-project (German-Indonesian Tsunami Early Warning System) is to provide fast and reliable tsunami warnings, but also to deepen the knowledge about tsunami hazards. New bathymetric data at the Sunda Arc provide the opportunity to evaluate the hazard potential of landslide tsunamis for the adjacent Indonesian islands. I present nine large mass movements in proximity to Sumatra, Java, Sumbawa and Sumba, whereof the largest event displaced 20 km³ of sediments. Using numerical modeling, I compute the generated tsunami of each event, its propagation and runup at the coast. Moreover, I investigate the age of the largest slope failures by relating them to the Great 1977 Sumba earthquake. Continental slopes off northwest Europe are well known for their history of huge underwater landslides. The current geological situation west of Spitsbergen is comparable to the continental margin off Norway after the last glaciation, when the large tsunamigenic Storegga slide took place. The influence of Arctic warming on the stability of the Svalbard glacial margin is discussed. Based on new geophysical data, I present four possible landslide scenarios and compute the generated tsunamis. Waves of 6 m height would be capable of reaching northwest Europe threatening coastal areas. I present a novel technique to detect large submarine landslides using an array of tiltmeters, as a possible tool in future tsunami early warning systems. The dislocation of a large amount of sediment during a landslide produces a permanent elastic response of the earth. I analyze this response with a mathematical model and calculate the theoretical tilt signal. Applications to the hypothetical Spitsbergen event and the historical Storegga slide show tilt signals exceeding 1000 nrad. The amplitude of landslide tsunamis is controlled by the product of slide volume and maximal velocity (slide tsunamigenic potential). I introduce an inversion routine that provides slide location and tsunamigenic potential, based on tiltmeter measurements. The accuracy of the inversion and of the estimated tsunami height near the coast depends on the noise level of tiltmeter measurements, the distance of tiltmeters from the slide, and the slide tsunamigenic potential. Finally, I estimate the applicability scope of this method by employing it to known landslide events worldwide.
N2  - Submarine Erdrutsche können lokale Tsunamis auslösen und stellen somit eine Gefahr für Siedlungen an der Küste und deren Einwohner dar. Zwei Hauptprobleme sind (i) die quantitative Abschätzung der Gefahr, die von einem Tsunami ausgeht und (ii) das schnelle Erkennen von gefährlichen Rutschungsereignissen. In dieser Doktorarbeit beschäftige ich mich mit beiden Problemen, indem ich Erdrutschtsunamis numerisch modelliere und eine neue Methode vorstelle, in der submarine Erdrutsche mit Hilfe von Tiltmetern detektiert werden. Die Küstengebiete Indonesiens sind wegen der Nähe zur Sunda-Subduktionszone besonders durch Tsunamis gefährdet. Das Ziel des GITEWS-Projektes (Deutsch- Indonesisches Tsunami-Frühwarnsystem) ist es, schnell und verlässlich vor Tsunamis zu warnen, aber auch das Wissen über Tsunamis und ihre Anregung zu vertiefen. Neue bathymetrische Daten am Sundabogen bieten die Möglichkeit, das Gefahrenpotential von Erdrutschtsunamis für die anliegenden indonesischen Inseln zu studieren. Ich präsentiere neun große Rutschungereignisse nahe Sumatra, Java, Sumbawa und Sumba, wobei das größte von ihnen 20 km³ Sediment bewegte. Ich modelliere die Ausbreitung und die Überschwemmung der bei diesen Rutschungen angeregten Tsunamis. Weiterhin untersuche ich das Alter der größten Hanginstabilitäten, indem ich sie zu dem Sumba Erdbeben von 1977 in Beziehung setze. Die Kontinentalhänge im Nordwesten Europa sind für Ihre immensen unterseeischen Rutschungen bekannt. Die gegenwärtige geologische Situation westlich von Spitzbergen ist vergleichbar mit derjenigen des norwegischen Kontinentalhangs nach der letzten Vergletscherung, als der große Tsunamianregende Storegga-Erdrutsch stattfand. Der Einfluss der arktischen Erwärmung auf die Hangstabilität vor Spitzbergen wird untersucht. Basierend auf neuen geophysikalischen Messungen, konstruiere ich vier mögliche Rutschungsszenarien und berechne die entsprechenden Tsunamis. Wellen von 6 Metern Höhe könnten dabei Nordwesteuropa erreichen. Ich stelle eine neue Methode vor, mit der große submarine Erdrutsche mit Hilfe eines Netzes aus Tiltmetern erkannt werden können. Diese Methode könnte in einem Tsunami-Frühwarnsystem angewendet werden. Sie basiert darauf, dass die Bewegung von großen Sedimentmassen während einer Rutschung eine dauerhafte Verformung der Erdoberfläche auslöst. Ich berechne diese Verformung und das einhergehende Tiltsignal. Im Falle der hypothetischen Spitzbergen-Rutschung sowie für das Storegga-Ereignis erhalte ich Amplituden von mehr als 1000 nrad. Die Wellenhöhe von Erdrutschtsunamis wird in erster Linie von dem Produkt aus Volumen und maximaler Rutschungsgeschwindigkeit (dem Tsunamipotential einer Rutschung) bestimmt. Ich führe eine Inversionsroutine vor, die unter Verwendung von Tiltdaten den Ort und das Tsunamipotential einer Rutschung bestimmt. Die Genauigkeit dieser Inversion und damit der vorhergesagten Wellenhöhe an der Küste hängt von dem Fehler der Tiltdaten, der Entfernung zwischen Tiltmeter und Rutschung sowie vom Tsunamipotential ab. Letztlich bestimme ich die Anwendbarkeitsreichweite dieser Methode, indem ich sie auf bekannte Rutschungsereignisse weltweit beziehe.
KW  - Tsunami
KW  - Erdrutsch
KW  - Indonesien
KW  - Spitzbergen
KW  - Tiltmeter
KW  - Tsunami
KW  - Landslide
KW  - Indonesia
KW  - Spitsbergen
KW  - Tiltmeter
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32986
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scherling, Christian
T1  - Environmental Metabolomics - Metabolomische Studien zu Biodiversität, phänotypischer Plastizität und biotischen Wechselwirkungen von Pflanzen
T1  - Environmental Metabolomics - metabolic investigations of plants in response to biodiversity, phenotypic plasticity and biotic interactions
N2  - Ein genereller Ansatz zur Charakterisierung von biologischen Systemen bietet die Untersuchung des Metaboloms, dessen Analyse als „Metabolomics“ bezeichnet wird. “Omics”- Technologien haben das Ziel, ohne Selektionskriterien möglichst alle Bestandteile einer biologischen Probe zu detektieren (identifizieren und quantifizieren), um daraus Rückschlüsse auf nicht vorhersehbare und somit neuartige Korrelationen in biologischen Systemen zu ziehen. Ein zentrales Dogma in der Biologie besteht in der Kausalität zwischen Gen – Enzym – Metabolite. Perturbationen auf einer Ebene rufen systemische Antworten hervor, die in einem veränderten Phänotyp münden können. Metabolite sind die Endprodukte von zellulären regulatorischen Prozessen, deren Abundanz durch die Resonanz auf genetische Modifikationen oder Umwelteinflüsse zurückzuführen ist. Zudem repräsentieren Metabolite ultimativ den Phänotyp eines Organismus und haben die Fähigkeit als Biomarker zu fungieren. Die integrale Analyse verschiedenster Stoffwechselwegen wie Krebszyklus, Pentosephosphatzyklus oder Calvinzyklus offeriert die Identifikation von metabolischen Mustern. In dieser Arbeit wurden sowohl das targeted Profiling via GC-TOF-MS als auch das untargeted Profiling via GC-TOF-MS und LC-FT-MS als analytische Strategien genutzt, um biologische Systeme anhand ihrer Metabolite zu charakterisieren und um physiologische Muster als Resonanz auf endogene oder exogene Stimuli zu erkennen. Dabei standen die metabolische, phänotypische und genotypische Plastizität von Pflanzen im Fokus der Untersuchungen. Metabolische Varianzen eines Phänotyps reflektieren die genotyp-abhängige Resonanz des Organismus auf umweltbedingte Parameter (abiotischer und biotischer Stress, Entwicklung) und können mit sensitiven Metabolite Profiling Methoden determiniert werden. Diese Anwendungen haben unter anderem auch zum Begriff des „Environmental Metabolomics“ geführt. In Kapitel 2 wurde der Einfluss biotischer Interaktionen von endophytischen Bakterien auf den Metabolismus von Pappelklonen untersucht; Kapitel 3 betrachtet die metabolische Plastizität von Pflanzen im Freiland auf veränderte biotische Interaktionsmuster (Konkurrenz/Diversität/Artenzusammensetzung); Abschließend wurde in Kapitel 4 der Einfluss von spezifischen genetischen Modifikationen an Peroxisomen und den daraus resultierenden veränderten metabolischen Fluss der Photorespiration dargestellt. Aufgrund der sensitiven Analyse- Technik konnten metabolische Phänotypen, die nicht zwingend in einen morphologischen Phänotyp mündeten, in drei biologischen Systemen identifiziert und in einen stoffwechselphysiologischen Kontext gestellt werden. Die drei untersuchten biologischen Systeme – in vitro- Pappeln, Grünland- Arten (Arrhenatherion-Gesellschaft) und der Modellorganismus (Arabidopsis) – belegten anschaulich die Plastizität des Metabolismus der Arten, welche durch endogene oder exogene Faktoren erzeugt wurden.
N2  - A general approach to characterise biological systems offers the analysis of the metabolome, named “metabolomics”. “Omics”- technologies are untargeted approaches without any selection criteria which aim to detect every potential analyte in a sample in order to draw conclusions about new correlations in biological systems. A central dogma in biology is the causality between gene – enzyme – metabolite. Perturbations on one level are reflected in systemic response, which possibly result in a changed phenotype. Metabolites are end products of its gene expression and metabolism, whose abundance is determined as a resonance of genetic modifications or environmental disturbance. Furthermore metabolites represent the ultimate phenotype of an organism and are able to act as a biomarker. The integral analysis of distinct metabolic pathways like TCA, Pentose phosphate and Calvin cycle consequently leads to the identification of metabolic patterns. In this work targeted profiling via GC-TOF-MS as well as untargeted profiling via GC-TOF-MS and LC-FT-MS were used as analytical strategies to characterise biological systems on the basis of their metabolites and to identify physiological patterns as resonance of endogenic or exogenic stimuli. The focus of the investigations concentrates on the metabolic, phenotypic and genotypic plasticity of plants. Metabolic variance of a phenotype is reflected in the genotypic dependence response of an organism on environmental parameters which may be detected via sensitive metabolic profiling methods. In chapter 2 the influence of biotic interaction of endophytic bacteria on the metabolism of their poplar host was analyzed; chapter 3 explores the metabolic plasticity of field-grown grassland species as a consequence of biotic interaction pattern (competition / diversity / species composition); In conclusion, chapter 4 illustrates the influence of specific genetic modifications on peroxisomes and the consequent changed metabolic flux in the photorespiration pathway. Due to the sensitive analytic methods, metabolic phenotypes in all three biological systems could be identified and classified in a physiological context. The three biological systems – in vitro poplar plants, field-grown grassland species and the model organism Arabidopsis – demonstrate the plasticity of the metabolism of species in response to stimuli.
KW  - Environmental Metabolomics
KW  - metabolischer Phänotyp
KW  - Metabolite Profiling
KW  - GC-TOF-MS
KW  - LC-FT-MS
KW  - environmental metabolomics
KW  - metabolic plasticity
KW  - metabolite profiling
KW  - GC-TOF-MS
KW  - LC-FT-MS
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32411
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhnert, Matthias
T1  - Quantifizierung von Oberflächenabfluss und Erosion auf Böden mit hydrophoben Eigenschaften
T1  - Quantification of surface runoff and soil erosion on water repellent soils
N2  - Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.
N2  - The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes.
KW  - Oberflächenabfluss
KW  - Erosion
KW  - Hydrophobie
KW  - Messmethoden
KW  - Hangskala
KW  - surfac runoff
KW  - soil erosion
KW  - hydrophobicity
KW  - measurements
KW  - hill slope scale
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Alexander
T1  - Rainfall redistribution and change of water quality in tropical forest canopies : patterns and persistence
T1  - Umverteilung von Regenwasser und Änderung der Wasserqualität in Kronendächern Tropischer Wälder : Muster und Persistenz
N2  - Motivations and research objectives: During the passage of rain water through a forest canopy two main processes take place. First, water is redistributed; and second, its chemical properties change substantially. The rain water redistribution and the brief contact with plant surfaces results in a large variability of both throughfall and its chemical composition. Since throughfall and its chemistry influence a range of physical, chemical and biological processes at or below the forest floor the understanding of throughfall variability and the prediction of throughfall patterns potentially improves the understanding of near-surface processes in forest ecosystems. This thesis comprises three main research objectives. The first objective is to determine the variability of throughfall and its chemistry, and to investigate some of the controlling factors. Second, I explored throughfall spatial patterns. Finally, I attempted to assess the temporal persistence of throughfall and its chemical composition. Research sites and methods: The thesis is based on investigations in a tropical montane rain forest in Ecuador, and lowland rain forest ecosystems in Brazil and Panama. The first two studies investigate both throughfall and throughfall chemistry following a deterministic approach. The third study investigates throughfall patterns with geostatistical methods, and hence, relies on a stochastic approach. Results and Conclusions: Throughfall is highly variable. The variability of throughfall in tropical forests seems to exceed that of many temperate forests. These differences, however, do not solely reflect ecosystem-inherent characteristics, more likely they also mirror management practices. Apart from biotic factors that influence throughfall variability, rainfall magnitude is an important control. Throughfall solute concentrations and solute deposition are even more variable than throughfall. In contrast to throughfall volumes, the variability of solute deposition shows no clear differences between tropical and temperate forests, hence, biodiversity is not a strong predictor of solute deposition heterogeneity. Many other factors control solute deposition patterns, for instance, solute concentration in rainfall and antecedent dry period. The temporal variability of the latter factors partly accounts for the low temporal persistence of solute deposition. In contrast, measurements of throughfall volume are quite stable over time. Results from the Panamanian research site indicate that wet and dry areas outlast consecutive wet seasons. At this research site, throughfall exhibited only weak or pure nugget autocorrelation structures over the studies lag distances. A close look at the geostatistical tools at hand provided evidence that throughfall datasets, in particular those of large events, require robust variogram estimation if one wants to avoid outlier removal. This finding is important because all geostatistical throughfall studies that have been published so far analyzed their data using the classical, non-robust variogram estimator.
N2  - Motivation und Zielsetzung: Wenn Regen durch ein Kronendach fällt lassen sich zwei Prozesse beobachten: das Regenwasser wird umverteilt und die chemische Qualität des Wassers verändert sich erheblich. Die Prozesse im Kronenraum resultieren in einer hohen Variabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung. Bestandsniederschlag beeinflusst eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen am Waldboden. Daher können Untersuchungen zur Variabilität und zu Mustern im Bestandsniederschlag helfen, bodennahe Prozesse besser zu verstehen. Diese Dissertation behandelt hauptsächlich drei Aspekte. Erstens, die Arbeit beschäftigt sich mit der Erfassung der Variabilität im Bestandsniederschlag und dessen chemischer Zusammensetzung, zudem werden Einflussfaktoren dieser Variabilität untersucht. Des Weiteren beschäftigt sich die Arbeit mit räumlichen Mustern des Bestandsniederschlagswassers, und drittens wird die zeitliche Stabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung betrachtet. Untersuchungsgebiete und Methoden: Diese Dissertation basiert auf Untersuchungen in einem tropischen Bergregenwald in Ecuador, sowie Studien in tropischen Tieflandregenwäldern in Brasilien und Panama. Die ersten zwei Studien untersuchen Bestandsniederschlag und dessen chemische Zusammensetzung mit Hilfe deterministischer Methoden. Die Arbeit in Panama nutzt geostatistische Methoden zur Beschreibung von Bestandsniederschlagsmustern und verfolgt somit einen stochastischen Ansatz. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Variabilität des Bestandsniederschlages ist hoch; das heißt, die Menge des auf den Waldboden tropfenden Wassers kann sich je nach Standort stark unterscheiden. Diese räumliche Variabilität des Bestandsniederschlags ist in tropischen Wäldern höher als in vielen gemäßigten Waldökosystemen, was nicht allein auf verschiedenen Eigenschaften der Ökosysteme zurückzuführen ist. Vielmehr erklären sich die Unterschiede auch aus verschiedenen Waldnutzungen. Abgesehen von biologischen Faktoren beeinflusst die Regenmenge die Variabilität des Bestandsniederschlags erheblich. Die chemische Zusammensetzung des Bestandsniederschlags weist eine noch höhere Variabilität als der Bestandsniederschlag selbst auf. Unterschiede zwischen tropischen und gemäßigten Wäldern lassen sich hier allerdings nicht erkennen, weshalb die hohe Diversität tropischer Ökosysteme die Heterogenität der chemischen Zusammensetzung des Bestandsniederschlags nicht ausreichend erklärt. Eine Vielzahl anderer Faktoren kontrolliert deshalb die Variabilität der Bestandsniederschlagschemie, beispielsweise die Konzentration gelöster Stoffe im Regenwasser oder die Dauer von Trockenperioden. Deren hohe temporale Variabilität ist verantwortlich für die geringe zeitliche Stabilität von Depositionsmessungen. Im Gegensatz dazu ist die temporale Persistenz von Messungen der Bestandsniederschlagsmenge hoch. Insbesondere die Ergebnisse aus Panama zeigen, dass feuchte und trockene Messpunkte über einen Zeitraum von zwei Regenzeiten fortbestehen. Die räumlichen Bestandsniederschlagsmuster im letztgenannten Untersuchungsgebiet sind schwach bzw. weisen die Struktur eines reinen Nugget-Models auf. Die geostatistische Analyse zeigt, dass vor allem die Daten großer Regenereignisse eine robuste Modellierung des Variogramms erfordern, wenn die willkürliche Entfernung von Fernpunkten in den Daten vermieden werden soll. Dieses Resultat ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da alle bisherigen Bestandsniederschlagsstudien den klassischen, nicht-robusten Schätzer benutzen, obwohl das Auftreten von Extremwerten in Bestandsniederschlagsdaten für viele Ökosysteme zu erwarten ist.
KW  - Bestandsniederschlag
KW  - Stoffdeposition
KW  - tropische Waldökosysteme
KW  - Geostatistik
KW  - throughfall
KW  - solute deposition
KW  - tropical forests
KW  - geostatistics
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32556
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dreja, Tanja S.
T1  - Microarray-basierte Expressionsanalysen des weißen Fettgewebes der NZO-Maus sowie der Langerhansschen Inseln der NZL-Maus : zwei Modelle für das metabolische Syndrom
T1  - Microarray based expression analyses of white adipose tissue of the NZO-mouse and of the islets of Langerhans of the NZL-mouse : two models for the human metabolic syndrome
N2  - Übergewicht und Adipositas führen zu Insulinresistenz und erhöhen deutlich das Risiko für die Entwicklung von Typ-2-Diabetes und kardiovaskulären Erkrankungen. Sowohl Adipositas als auch die Suszeptibilität gegenüber Diabetes sind zu einem erheblichen Teil genetisch determiniert. Die relevanten Risikogene, deren Interaktion mit der Umwelt, insbesondere mit Bestandteilen der Nahrung, und die Pathomechanismen, die zur Insulinresistenz und Diabetes führen, sind nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit sollte durch Genexpressionsanalysen des weißen Fettgewebes (WAT) und der Langerhansschen Inseln die Entstehung und Progression von Adipositas und Typ-2-Diabetes untersucht werden, um relevante Pathomechanismen und neue Kandidatengene zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden Diät-Interventionsstudien mit NZO- und verwandten NZL-Mäusen, zwei polygenen Mausmodellen für das humane metabolische Syndrom, durchgeführt. Eine kohlenhydrathaltige Hochfett-Diät (HF: 14,6 % Fettanteil) führte in beiden Mausmodellen zu früher Adipositas, Insulinresistenz und Typ 2 Diabetes. Eine fettreduzierte Standarddiät (SD: 3,3 % Fettanteil), welche die Entstehung von Adipositas und Diabetes stark verzögert, sowie eine diabetesprotektive kohlenhydratfreie Hochfett-Diät (CHF: 30,2 % Fettanteil) dienten als Kontrolldiäten. Mit Hilfe der Microarray-Technologie wurden genomweite Expressionsprofile des WAT erstellt. Pankreatische Inseln wurden durch laserbasierte Mikropräparation (Laser Capture Microdissection; LCM) isoliert und ebenfalls hinsichtlich ihres Expressionsprofils analysiert. Differenziell exprimierte Gene wurden durch Real-Time-PCR validiert. Im WAT der NZO-Maus bewirkte die HF-Diät eine reduzierte Expression nukleärer Gene der oxidativen Phosphorylierung und von lipogenen Enzymen. Dies deutet auf eine inadäquate Fettspeicherung und -verwertung in diesen Tieren hin. Die Reduktion in der Fettspeicherung und -oxidation ist spezifisch für das adipöse NZO-Modell und konnte bei der schlanken SJL Maus nicht beobachtet werden, was auf eine mögliche Beteiligung an der Entstehung der Insulinresistenz hinweist. Zusätzlich wurde bestätigt, dass die Expansion des Fettgewebes bei der adipösen NZO-Maus eine zeitlich verzögerte Infiltration von Makrophagen in das WAT und dort eine lokale Immunantwort auslöst. Darüber hinaus wurde die Methode der LCM etabliert und zur Gewinnung hochangereicherter RNA aus den Langerhansschen Inseln eingesetzt. In erstmalig durchgeführten genomweiten Expressionsanalysen wurde zu einem frühen Zeitpunkt in der Diabetesentwicklung der Einfluss einer diabetogenen HF-Diät und einer diabetesprotektiven CHF-Diät auf das Expressionsprofil von pankreatischen Inselzellen verglichen. Im Gegensatz zum WAT bewirkt die diabetogene HF-Diät in Inselzellen einerseits, eine erhöhte Expression von nukleären Genen für die oxidative Phosphorylierung und andererseits von Genen, die mit Zellproliferation assoziiert sind. Zudem wurden 37 bereits annotierte Gene identifiziert, deren differenzielle Expression mit der Diabetesentwicklung korreliert. Das Peptidhormon Cholecystokinin (Cck, 11,8-fach erhöht durch die HF) stellt eines der am stärksten herauf regulierten Gene dar. Die hohe Anreicherung der Cck-mRNA in Inselzellen deutet auf eine bisher unbekannte Funktion des Hormons in der Regulation der Inselzellproliferation hin. Der Transkriptionsfaktor Mlxipl (ChREBP; 3,8-fach erniedrigt durch die HF) stellt in Langerhansschen Inseln eines der am stärksten herunter regulierten Gene dar. Ferner wurde ChREBP, dessen Funktion als glucoseregulierter Transkriptionsfaktor für lipogene Enzyme bislang in der Leber, aber nicht in Inselzellen nachgewiesen werden konnte, erstmals immunhistochemisch in Inselzellen detektiert. Dies deutet auf eine neue, bisher unbekannte regulatorische Funktion von ChREBP im Glucosesensor-Mechanismus der Inselzellen hin. Eine durchgeführte Korrelation der mit der Diabetesentwicklung assoziierten, differenziell exprimierten Inselzellgene mit Genvarianten aus humanen genomweiten Assoziationsstudien für Typ-2-Diabetes (WTCCC, Broad-DGI-T2D-Studie) ermöglichte die Identifizierung von 24 neuartigen Diabetes-Kandidatengenen. Die Ergebnisse der erstmals am polygenen NZO-Mausmodell durchgeführten genomweiten Expressionsuntersuchungen bestätigen bisherige Befunde aus Mausmodellen für Adipositas und Diabetes (z.B. ob/ob- und db/db-Mäuse), zeigen in einigen Fällen aber auch Unterschiede auf. Insbesondere in der oxidativen Phosphorylierung könnten die Ergebnisse relevant sein für das Verständnis der Pathogenese des polygen-bedingten humanen metabolischen Syndroms.
N2  - Overweight and obesity cause insulin resistance and increase the risk of developing type 2 diabetes and cardiovascular diseases. Both, obesity and susceptibility to diabetes, are to a major part genetically predisposed. The relevant genes, their interaction with the environment – especially with food components – and the pathomechanisms causing insulin resistance and diabetes are not fully known yet. In the present study the development and progression of obesity and type 2 diabetes should be investigated by the means of gene expression analyses of the white adipose tissue (WAT) and the islets of Langerhans to identify underlying pathomechanisms and new causative candidate genes. For this purpose diet intervention studies on NZO- and related NZL-mice – two polygenic mouse models for the human metabolic syndrome – were performed. A carbohydrate containing high fat-diet (HF: 14.6 % fat) caused early obesity, insulin resistance and type 2 diabetes in both mouse models. A fat reduced standard chow (SD: 3.3 % fat) which strongly delayed the onset of obesity and diabetes, and a diabetes protective carbohydrate free high fat-diet (CHF: 30.2 % fat) served as control diets. Using microarray technology genome wide expression profiles of the WAT were generated. Pancreatic islets were isolated by the means of laser capture microdissection (LCM) and expression profiles of them were created, too. Differentially expressed genes were validated by quantitative real time PCR. The HF-diet reduced the expression of nuclear genes of the oxidative phosphorylation and lipogenic enzymes in the WAT of the NZO-mouse. This suggests an inadequate storage and utilization of fat in these animals. This is specific for the obese NZO-model and wasn’t observed for the lean SJL-mouse, indicating a role in the development of insulin resistance. Additionally, there was proof that the enlargement of the WAT triggers a retarded infiltration of macrophages into the WAT and there a local immune response. Moreover, the LCM technique was established and used for the isolation of highly enriched RNA from islets of Langerhans. For the first time the influence of carbohydrates in a high fat-diet on the expression profile of pancreatic islets was investigated by the use of genome wide expression analyses at an early time point at the onset of diabetes. Contrary to the WAT the diabetogenic HF-diet in islets cells increased the expression of both nuclear genes coding for the oxidative phosphorylation and genes associated with cell proliferation. Furthermore 37 already annotated genes correlated with diabetes progression were identified. The peptide hormone cholecystokinin (Cck: 11.8-fold enriched by the HF-diet) is one of the most up-regulated genes. The strong enrichment of Cck-mRNA in islets suggests a previously unknown function of the hormone in the regulation of the islet cell proliferation. The transcription factor ChREBP (Mlxipl: 3.8-fold reduced by the HF-diet) is one of the most down-regulated genes in the islets of Langerhans. Moreover, ChREBP, which has been already identified as a glucose regulated transcription factor for lipogenic enzymes in the liver but not in islets of Langerhans, was detected for the first time in islet cells, using immunohistochemistry. This points to an until now unknown regulatory function of ChREBP in the glucosesensor mechanism of the islet cells. Correlation of the differentially expressed genes associated with diabetes progression with gene variants from human genome wide association studies for type 2 diabetes (WTCCC, Broad-DGI-T2D-study) made the identification of 24 new diabetes candidate genes possible. The results of the genome wide expression analyses, which were done for the first time on a polygenic mouse-model, corroborated previous results for monogenic mouse-models for obesity and diabetes (e.g. ob/ob- and db/db-mice), however also demonstrated differences in some instances. Especially the results concerning the oxidative phosphorylation could be relevant for the comprehension of the pathogenesis of the polygenic human metabolic syndrome.
KW  - Microarray
KW  - Diabetes
KW  - metabolisches Syndrom
KW  - Diätintervention
KW  - LCM
KW  - microarray
KW  - diabetes
KW  - human metabolic syndrome
KW  - diet intervention
KW  - laser capture microdissection
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32379
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kristen, Iris
T1  - Investigations on rainfall variability during the late Quaternary based on geochemical analyses of lake sediments from tropical and subtropical southern Africa
T1  - Untersuchungen zur Niederschlagsvariabilität im tropischen und subtropischen Afrika während des späten Quartärs auf der Basis geochemischer Analysen an Seesedimenten
N2  - This thesis presents investigations on sediments from two African lakes which have been recording changes in their surrounding environmental and climate conditions since more than 200,000 years. Focus of this work is the time of the last Glacial and the Holocene (the last ~100,000 years before present [in the following 100 kyr BP]). One important precondition for this kind of research is a good understanding of the present ecosystems in and around the lakes and of the sediment formation under modern climate conditions. Both studies therefore include investigations on the modern environment (including organisms, soils, rocks, lake water and sediments). A 90 m long sediment sequence was investigated from Lake Tswaing (north-eastern South Africa) using geochemical analyses. These investigations document alternating periods of high detrital input and low (especially autochthonous) organic matter content and periods of low detrital input, carbonatic or evaporitic sedimentation and high autochthonous organic matter content. These alternations are interpreted as changes between relatively humid and arid conditions, respectively. Before c. 75 kyr BP, they seem to follow changes in local insolation whereas afterwards they appear to be acyclic and are probably caused by changes in ocean circulation and/or in the mean position of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ). Today, these factors have main influence on precipitation in this area where rainfall occurs almost exclusively during austral summer. All modern organisms were analysed for their biomarker and bulk organic and compound-specific stable carbon isotope composition. The same investigations on sediments from the modern lake floor document the mixed input of the investigated individual organisms and reveal additional influences by methanotrophic bacteria. A comparison of modern sediment characteristics with those of sediments covering the time 14 to 2 kyr BP shows changes in the productivity of the lake and the surrounding vegetation which are best explained by changes in hydrology. More humid conditions are indicated for times older than 10 kyr BP and younger than 7.5 kyr BP, whereas arid conditions prevailed in between. These observations agree with the results from sediment composition and indications from other climate archives nearby. The second lake study deals with Lake Challa, a small, deep crater lake on the foot of Mount Kilimanjaro. In this lake form mm-scale laminated sediments which were analyses with micro-XRF scanning for changes in the element composition. By comparing these results with investigations on thin sections, results from ongoing sediment trap studies, meteorological data, and investigations on the surrounding rocks and soils, I develop a model for seasonal variability in the limnology and sedimentation of Lake Challa. The lake appears to be stratified during the warm rain seasons (October – December and March – May) during which detrital material is delivered to the lake and carbonates precipitate. On the lake floor forms a dark lamina with high contents of Fe and Ti and high Ca/Al and low Mn/Fe ratios. Diatoms bloom during the cool and windy season (June – September) when mixing down to c. 60 m depth provides easily bio-available nutrients. Contemporaneously, Fe and Mn-oxides are precipitating which cause high Mn/Fe ratios in the light diatom-rich laminae of the sediments. Trends in the Mn/Fe ratio of the sediments are interpreted to reflect changes in the intensity or duration of seasonal mixing in Lake Challa. This interpretation is supported by parallel changes in the organic matter and biogenic silica content observed in the 22 m long profile recovered from Lake Challa. This covers the time of the last 25 kyr BP. It documents a transition around 16 kyr BP from relatively well-mixed conditions with high detrital input during glacial times to stronger stratified conditions which are probably related to increasing lake levels in Challa and generally more humid conditions in East Africa. Intensified mixing is recorded for the time of the Younger Dryas and the period between 11.4 and 10.7 kyr BP. For these periods, reduced intensity of the SW monsoon and intensified NE monsoon are reported from archives of the Indian-Asian Monsoon region, arguing for the latter as a probable source for wind mixing in Lake Challa. This connection is probably also responsible for contemporaneous events in the Mn/Fe ratios of the Lake Challa sediments and in other records of northern hemisphere monsoon intensity during the Holocene and underlines the close interaction of global low latitude atmospheric circulation.
N2  - In dieser Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an den Sedimenten zweier afrikanischer Seen vorgestellt, die ein Archiv für Klimaveränderungen über einen Zeitraum von mehr als 200.000 Jahren darstellen. Der Schwerpunkt liegt in dieser Arbeit auf dem letzten Glazial und dem Holozän (ca. 100.000 Jahre vor heute [nachfolgend als 100 kyr BP bezeichnet] bis heute). Grundlegende Voraussetzung für solche Studien ist ein gutes Verständnis der Ökosysteme in und um den See, sowie des gegenwärtigen Sedimentationsgeschehens. Deswegen beinhalten beide Seestudien Untersuchungen der heutigen Organismen, Böden, Gesteine, Wasserchemie und Sedimentablagerungen. Im Tswaing-See im nordöstlichen Südafrika wurden anhand eines 90 m langen Sedimentprofils Studien zur Sedimentzusammensetzung und Untersuchungen der Zusammensetzung und Qualität des organischen Materials durchgeführt. Sie zeigen einen Wechsel zwischen Phasen hohen detritischen Eintrags, während derer v.a. kaum autochthones organisches Material im See erhalten blieb, mit Phasen geringen Eintrags und dafür karbonatischer oder evaporitischer Sedimentation, die hohe Gehalte v.a. autochthonen organischen Materials aufweisen. Diese Phasen werden als relativ feuchte bzw. trockene Perioden interpretiert und folgen bis vor ca. 75 kyr BP Schwankungen der lokalen solaren Einstrahlung. Dieser Einfluss nimmt nach 75 kyr BP ab und azyklische feuchte Phasen werden beobachtet. Mögliche Ursachen sind Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation und Verschiebungen in der Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ); beides sind auch heute Haupteinflussfaktoren auf die Niederschläge in der Region. Die heute lebenden Organismen des Tswaing-Kraters wurden mittels Analysen der Biomarkerzusammensetzung und der Kohlenstoffisotopie charakterisiert und ihr Einfluss auf die heutigen Seeablagerungen untersucht. Dabei konnten zusätzlich Indikatoren für die Aktivität methanotropher Bakterien nachgewiesen werden. Der Vergleich heutiger Sedimente mit denen des Zeitraumes 14 bis 2 kyr BP zeigt deutliche Veränderungen sowohl in der Zusammensetzung, als auch in der Kohlenstoffisotopie der Biomarker, die mit Veränderungen in der Hydrologie erklärt werden können. Die gefundenen Hinweise auf feuchtere Bedingungen im Zeitraum älter als 10 kyr BP, für trockenere Verhältnissen zwischen 10 und 7.5 kyr BP und für die nachfolgende Wiederzunahme an Feuchtigkeit werden durch die sedimentologischen Ergebnisse unterstützt. Objekt der zweiten Seestudie ist der Challa-See am Fuß des Kilimanjaro. Hier werden heute im mm-Maßstab laminierte Sedimente gebildet, die mit Mikro-XRF-scanning auf Veränderungen in der Elementzusammensetzung untersucht wurden. Zusammen mit Untersuchungen der Mikrofazies und im Vergleich mit ersten Ergebnissen noch laufender Sedimentfallenstudien, mit meteorologischen Daten und Analysen des Umgebungsgesteins werden die saisonalen Veränderungen in der Temperaturverteilung, der Durchmischungstiefe, dem detritischen Eintrag und der Bioproduktivität des Sees in den Sedimenten nachvollziehbar. Der See ist in den feucht-warmen Perioden von Oktober bis Dezember und von März bis Mai stratifiziert. Während dieser Zeit erfolgt der Eintrag detritischen Materials und Kalziumkarbonat fällt aus; eine dunkle Lage mit hohen Gehalten an Fe und Ti und mit hohen Ca/Al- und niedrigen Mn/Fe-Verhältnissen bildet sich am Boden des Sees. Diatomeen blühen während der kühlen, windigen Periode von Juni bis September, wenn die Durchmischung bis auf etwa 60 m Tiefe Nährstoffe verfügbar macht. Die Ausfällung von Fe- und Mn-oxiden sorgt für hohe Mn/Fe-Verhältnisse; es bildet sich eine helle Lage auf dem Sediment. Trends im Mn/Fe-Verhältnis werden als Signal für Veränderungen in der Intensität oder Dauer der saisonalen Durchmischung interpretiert. Dies wird unterstützt durch parallele Trends im Gehalt an organischem Material und an biogenem Silizium, wie durch Analysen an einem 22 m langen Bohrkern gezeigt werden kann. Nach gut durchmischten und von erhöhtem Eintrag von außen geprägten Verhältnissen während des letzten Glazials erfolgt gegen 16 kyr BP ein Übergang zu stärker stratifizierten Bedingungen. Diese korrespondieren mit einem steigenden Seespiegel und verbreiteten Hinweisen auf feuchte Bedingungen im tropischen Ostafrika. Stärkere Durchmischung herrschte während der Jüngeren Dryas und von 11.4 bis 10.7 kyr BP. Diese Perioden entsprechen Zeiten verringerter Südwest- und vermutlich verstärkter Nordostmonsunintensität im Bereich des Indisch-Asiatischen Monsuns und spiegeln eine global beobachtete südliche Verschiebung der ITCZ wider. Nach einer kurzen stabilen, feuchten Phase im frühen Holozän nimmt die Durchmischung des Sees im Verlauf des Holozän wieder zu. Abrupte Ereignisse während des Holozän scheinen im Challa-See zeitgleich mit Veränderungen der Monsunintensität der Nordhemisphäre aufzutreten und bezeugen die starke klimatische Kopplung der niederen Breiten in globalem Maßstab.
KW  - Paläoklima
KW  - Afrika
KW  - Monsun
KW  - Seedurchmischung
KW  - Seesedimente
KW  - Biomarker
KW  - Analyse komponentenspezifischer Kohlenstoffisotope
KW  - Alkenone
KW  - XRF
KW  - palaeoclimate
KW  - Africa
KW  - monsoon
KW  - lake mixing
KW  - lake sediments
KW  - biomarker
KW  - compound-specific stable carbon isotope analyses
KW  - alkenones
KW  - XRF
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32547
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grimbs, Sergio
T1  - Towards structure and dynamics of metabolic networks
T1  - Struktur und Dynamik metabolischer Netzwerke
N2  - This work presents mathematical and computational approaches to cover various aspects of metabolic network modelling, especially regarding the limited availability of detailed kinetic knowledge on reaction rates. It is shown that precise mathematical formulations of problems are needed i) to find appropriate and, if possible, efficient algorithms to solve them, and ii) to determine the quality of the found approximate solutions. Furthermore, some means are introduced to gain insights on dynamic properties of metabolic networks either directly from the network structure or by additionally incorporating steady-state information. Finally, an approach to identify key reactions in a metabolic networks is introduced, which helps to develop simple yet useful kinetic models. The rise of novel techniques renders genome sequencing increasingly fast and cheap. In the near future, this will allow to analyze biological networks not only for species but also for individuals. Hence, automatic reconstruction of metabolic networks provides itself as a means for evaluating this huge amount of experimental data. A mathematical formulation as an optimization problem is presented, taking into account existing knowledge and experimental data as well as the probabilistic predictions of various bioinformatical methods. The reconstructed networks are optimized for having large connected components of high accuracy, hence avoiding fragmentation into small isolated subnetworks. The usefulness of this formalism is exemplified on the reconstruction of the sucrose biosynthesis pathway in Chlamydomonas reinhardtii. The problem is shown to be computationally demanding and therefore necessitates efficient approximation algorithms. The problem of minimal nutrient requirements for genome-scale metabolic networks is analyzed. Given a metabolic network and a set of target metabolites, the inverse scope problem has as it objective determining a minimal set of metabolites that have to be provided in order to produce the target metabolites. These target metabolites might stem from experimental measurements and therefore are known to be produced by the metabolic network under study, or are given as the desired end-products of a biotechological application. The inverse scope problem is shown to be computationally hard to solve. However, I assume that the complexity strongly depends on the number of directed cycles within the metabolic network. This might guide the development of efficient approximation algorithms. Assuming mass-action kinetics, chemical reaction network theory (CRNT) allows for eliciting conclusions about multistability directly from the structure of metabolic networks. Although CRNT is based on mass-action kinetics originally, it is shown how to incorporate further reaction schemes by emulating molecular enzyme mechanisms. CRNT is used to compare several models of the Calvin cycle, which differ in size and level of abstraction. Definite results are obtained for small models, but the available set of theorems and algorithms provided by CRNT can not be applied to larger models due to the computational limitations of the currently available implementations of the provided algorithms. Given the stoichiometry of a metabolic network together with steady-state fluxes and concentrations, structural kinetic modelling allows to analyze the dynamic behavior of the metabolic network, even if the explicit rate equations are not known. In particular, this sampling approach is used to study the stabilizing effects of allosteric regulation in a model of human erythrocytes. Furthermore, the reactions of that model can be ranked according to their impact on stability of the steady state. The most important reactions in that respect are identified as hexokinase, phosphofructokinase and pyruvate kinase, which are known to be highly regulated and almost irreversible. Kinetic modelling approaches using standard rate equations are compared and evaluated against reference models for erythrocytes and hepatocytes. The results from this simplified kinetic models can simulate acceptably the temporal behavior for small changes around a given steady state, but fail to capture important characteristics for larger changes. The aforementioned approach to rank reactions according to their influence on stability is used to identify a small number of key reactions. These reactions are modelled in detail, including knowledge about allosteric regulation, while all other reactions were still described by simplified reaction rates. These so-called hybrid models can capture the characteristics of the reference models significantly better than the simplified models alone. The resulting hybrid models might serve as a good starting point for kinetic modelling of genome-scale metabolic networks, as they provide reasonable results in the absence of experimental data, regarding, for instance, allosteric regulations, for a vast majority of enzymatic reactions.
N2  - In dieser Arbeit werden mathematische und informatische Ansätze zur Behandlung diverser Probleme im Zusammenhang mit der Modellierung metabolischer Netzwerke vorgestellt, insbesondere unter Berücksichtigung der eingeschränkten Verfügbarkeit detaillierter Enzymkinetiken. Es wird gezeigt, dass präzise mathematische Formulierungen der Probleme notwendig sind, um erstens angemessene und, falls möglich, effiziente Algorithmen zur Lösung zu entwickeln. Und zweitens, um die Güte der so gefundenen Lösungen zu bewerten. Des weiteren werden Methoden zur Analyse dynamischer Eigenschaften metabolischer Netzwerke eingeführt, welche entweder nur auf der Struktur der Netzwerke basieren oder zusätzlich noch Informationen über stationäre Zustände mit berücksichtigen. Außerdem wird eine Strategie zur Bestimmung von Schlüsselreaktionen eines Netzwerkes vorgestellt, welche die Entwicklung kinetischer Modelle vereinfacht. Der Erfolg neuer Technologien ermöglicht eine immer billigere und schnellere Sequenzierung des Genoms. Dies wird in naher Zukunft die Analyse biologischer Netzwerke nicht nur für Spezies, sondern auch für einzelne Individuen ermöglichen. Die automatische Rekonstruktion metabolischer Netzwerke ist bestens dafür geeignet, diese großen Datenmengen auszuwerten. Eine mathematische Formulierung der Rekonstruktion als Optimierungsproblem wird vorgestellt, die sowohl bereits vorhandenes Wissen als auch theoretische Vorhersagen verschiedenster bioinformatischer Methoden berücksichtigt. Die rekonstruierten Netzwerke sind hinsichtlich möglichst großer und plausibler Zusammenhangskomponenten hin optimiert, um fragmentierte und isolierte Teilnetzwerke zu vermeiden. Als Beispiel dient die Rekonstruktion der Saccharosesynthese in Chlamydomonas reinhardtii. Es wird gezeigt, dass das Problem sehr rechenintensiv ist und somit Approximationsalgorithmen erforderlich macht. Das 'inverse scope' Problem hat als Optimierungsziel, für ein gegebenes metabolisches Netzwerk die minimale Menge notwendiger Metabolite zu bestimmen, um eine ebenfalls gegebene Menge von gewünschten Zielmetaboliten zu produzieren. Diese Zielmetabolite können entweder durch experimentellen Messungen festgelegt werden, oder sie sind die gewünschten Endprodukte einer biotechnologischen Anwendung. Es wird gezeigt, dass das 'inverse scope' Problem rechenintensiv ist. Allerdings wird angenommen, dass die Berechnungskomplexität stark von der Anzahl gerichteter Zyklen innerhalb des metabolischen Netzwerkes abhängt. Dies könnte die Entwicklung effizienter Approximationsalgorithmen ermöglichen. Unter der Annahme von Massenwirkungskinetiken erlaubt es die 'chemical reaction network theory' (CRNT), anhand der Struktur metabolischer Netzwerke Rückschlüsse auf Multistabilität zu ziehen. Auch weitere Kinetiken können durch Modellierung von Enzymmechanismen mit berücksichtigt werden. CRNT wird zum Vergleich von mehreren Modellen des Calvinzyklus, welche sich in Größe und Abstraktionsniveau unterscheiden, verwendet. Obwohl für kleinere Modelle Ergebnisse erzielt werden, erlauben es die verfügbaren Theoreme und Algorithmen der CRNT nicht, Aussagen für größere Modelle zu machen, da die gegenwärtigen Implementierungen der Algorithmen an ihre Berechnungsgrenzen stoßen. Sind sowohl die Stoichiometrie eines metabolischen Netzwerkes, als auch die Metabolitkonzentrationen und Flüsse im stationären Zustand bekannt, so kann 'structural kinetic modelling' angewandt werden, um das dynamische Verhalten des Netzwerkes zu analysieren, selbst wenn die expliziten Ratengleichung unbekannt sind. Dieser Ansatz wird verwendet, um den stabilisierenden Einfluss allosterischer Regulation in menschlichen Erythrozyten zu untersuchen. Des weiteren werden die Reaktionen anhand ihrer Bedeutung hinsichtlich Stabilität im stationären Zustand angeordnet. Die wichtigsten Reaktionen bezüglich dieser Ordnung sind Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase, welche bekanntermaßen stark reguliert und irreversibel sind. Kinetische Modelle, die auf generischen Ratengleichung beruhen, werden mit detaillierten Referenzmodellen für Erythrozyten und Hepatozyten verglichen. Die generischen Modelle simulieren das Verhalten nur in der Nähe eines gegebenen stationären Zustandes recht gut. Der zuvor erwähnte Ansatz, wichtige Reaktionen bezüglich Stabilität zu identifizieren, wird zur Bestimmung von Schlüsselreaktionen genutzt. Diese Schlüsselreaktionen werden im Detail modelliert, während für alle anderen Reaktionen weiterhin generische Ratengleichung verwendet werden. Die so entstandenen Hybridmodelle können das Verhalten des Referenzmodells signifikant besser beschreiben. Die Hybridmodelle können als Ausgangspunkt zur Erstellung genomweiter kinetischer Modelle dienen.
KW  - metabolische Netzwerke
KW  - Modellierung
KW  - Struktur
KW  - Dynamik
KW  - Bioinformatik
KW  - metabolic networks
KW  - modelling
KW  - structure
KW  - dynamics
KW  - bioinformatics
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32397
ER  - 
TY  - THES
A1  - Michalk, Daniel M.
T1  - An appraisal of a new method for the full-vector reconstruction of the Earth’s magnetic field - applied to volcanic rocks from Mexico
T1  - Bewertung einer neuen Methode zur Gesamtvektor-Rekonstruktion des Erdmagnetfeldes - angewendet auf Vulkanite aus Mexico
N2  - Das Magnetfeld der Erde wird durch Konvektionsströmungen im elektrisch leitfähigen, flüssigen eisenreichen äußeren Erdkern erzeugt. Eine drastische Ausprägung der dynamischen Prozesse im äußeren Erdkern sind sowohl Polaritätswechsel über geologische Zeiträume, als auch geomagnetische Feldexkursionen (kurze Umpolungen). Letztere sind in geologischen Archiven häufig unzureichend dokumentiert. Für ein verbessertes Verständnis über die Entwicklung des Erdmagnetfeldes in geologischer Vergangenheit benötigen wir Informationen über die Geometrie des gesamten Vektorfeldes, wofür neben der Bestimmung der Feldrichtungen auch die Bestimmung der absoluten Paläointensität und des Alters notwendig ist. Insbesondere Vulkanite bieten die Möglichkeit, Daten über die Richtung und vor allem auch die Intensität des Erdmagnetfeldes zur Zeit ihrer Platznahme zu gewinnen. Bisweilen ist eine genaue Charakterisierung der Entwicklung des Erdmagnetfeldes in Zeit und Raum schwer möglich, was sich in erster Linie auf den generellen Mangel an Paläointensitätsdaten zurückführen lässt. Ein Grund hierfür ist, dass die meisten Methoden zur absoluten Paläointensitätsbestimmung, auf Modifikationen der Thellier Methode basieren, welche nur auf magnetische Minerale im Einbereichs-Domänenzustand anwendbar ist und zudem hohe Ausschussraten liefert. Eine alternative Methode zur Bestimmung der absoluten Paläointensität ist die kürzlich entwickelte „multispecimen parallel differential pTRM“ (MS) Methode, welche im Vergleich zur Thellier Methode den Vorteil hat, dass sie theoretisch unabhängig ist vom Domänenzustand der magnetischen Minerale und somit auf alle Vulkanite anwendbar ist. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, neue Informationen über das Auftreten und gegebenfalls die globale Gültigkeit von geomagnetischen Feldexkursionen zu gewinnen. Hierfür wurden etwa 75 Lavaflüsse des Transmexikanischen Vulkangürtels für paläomagnetische Studien beprobt. Eine Korrelation der mittleren Paläorichtungen von 56 mexikanischen Laven mit einer um Feldexkursionen ergänzten geomagnetischen Polaritätszeitskala, lieferte Hinweise auf 4 Exkursionen. Ein bedeutendes Ergebnis dieser Arbeit sind annährend komplett inversen Richtungen zweier Laven der Brunhes Chron. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass diese Exkursionen kurze Zeitintervalle inverser Polarität mit globaler Gültigkeit repräsentieren könnten. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war, die neue MS Methode auf ihre Anwendbarkeit und Genauigkeit hin zu testen. Hierfür wurden Paläointensitätsexperimente an 11 historischen Laven aus Mexiko und Island durchgeführt. Ein Vergleich der Paläointensitäten mit Daten von magnetischen Observatorien ergab, dass die MS Methode einen generellen Trend zur Überschätzung der Paläointensität aufweisst, welcher anhand von komplementierenden gesteinsmagnetischen Daten mit magnetischen Mineralen im Mehrbereichsteilchen-Zustand in Verbindung gebracht werden konnte. Diese Beobachtung liefert demnach einen ersten Beweis dafür, dass die MS Methode möglicherweise nicht wie ursprünglich angenommen unabhängig vom Domänenzustand der Trägerminerale ist. Im weiteren wurde eine Komplementierung der Richtungsdaten mexikanischer Laven durch absolute Paläointensitätsbestimmungen angestrebt. Hierfür wurde die MS Methode herangezogen und zum ersten Mal in großem Umfang auf Vulkanite mit Altern von bis zu 3,5 Millionen Jahre angewendet. Ein Vergleich mit Rekonstruktionen des Dipol-Momentes, welche auf den Daten der gegenwärtigen globalen Paläointensitätsdatanbasis basieren, ergaben, dass diese MS Daten mit hoher statistischer Wahrscheinlichkeit im Mittel etwa 30% höher sind. Die generell zu hohen Paläonintensitäten nach der MS Methode bekräftigen daher die Ergebnisse von historischen Laven dieser Arbeit, sowie anderer experimenteller Studien an synthetischen Proben, bei denen Überschätzungen von MS Paläointensitäten von bis zu 30% festgestellt wurden. Der Process, aus dem diese Überschätzung der Paläointensität resultiert ist eine Asymetrie des Entmagnetisierungs- und Remagnetisierungsprozesses heisst, dass ein effektives Entmagnetisieren während der Remagnetisierung im angelegten Laborfeld erfolgt. Diese Asymetrie scheint besonders bei pseudo-Einbereichsteilchen ausgeprägt zu sein. Es wird allerdings davon ausgegangen, dass diese Überschätzung nicht größer ist, als was man bei einem Thellier Experiment an Proben mit ähnlicher magnetischer Korngröße erwarten würde.
N2  - The Earth’s magnetic field (EMF) is generated by convections in the electrically conducting liquid iron-rich outer core, modified by the Earth’s rotation. A drastic manifestation of the dynamics of this fluid body is the occurrence of geomagnetic field reversals in the Earth’s history but also geomagnetic excursions, which are more frequent features of otherwise stable polarity chrons, but often poorly constrained in the geological record. To better understand the origin of the field, we need to know how the field has varied on different geological timescales. This includes not only information about changes in the ancient field’s direction but also about the absolute intensity (palaeointensity) and the age. This palaeointensity record is needed for compiling a full-vector description of the field. A palaeomagnetic and palaeointensity study on lava flows allows gaining insights about the evolution of the EMF through time and space. However, constraining the EMF evolution over different geological timescales remains a difficult objective due to the paucity of available palaeointensity data. One new alternative approach in palaeointensity studies is the recently proposed multispecimen parallel differential pTRM (MS) method, which has potentially several advantages over the commonly used Thellier method, because it is in theory independent of magnetic domain state, less prone to biasing effects, such as thermal alteration and significantly faster to perform in the laboratory. A study of highly active volcanic regions, such as the Trans-Mexican Volcanic Belt, seems promising when attempting a full-vector reconstruction or when looking for field excursions. One aim of this thesis was to gain new information about the occurrence and global validity of geomagnetic excursions from the Brunhes- or Matuyama Chron. For this purpose some 75 lava flows from within the Trans-Mexican Volcanic Belt were sampled for palaeomagnetic analyses. The scatter of virtual geomagnetic poles from lavas younger than 1.7 Ma was used for estimating palaeosecular variation and was found to be consistent with latitude dependent Model G and other high quality palaeomagnetic data from Mexico. The palaeomagnetic mean-vectors of 56 lavas were correlated to the Geomagnetic Polarity Timescale supplemented with information on geomagnetic excursions. On the grounds of their associated radioisotopic ages, four lavas were tentatively correlated with known excursions from marine records. Two lava flows dating of Brunhes Chron were associated with the Big Lost and Delts/Stage 17 excursions, respectively. From further two flows dating of Matuyama Chron, one flow was associated with either the Santa Rosa- or Kamikatsura excursions, while the other could have been emplaced during the Gilsa excursion. The most significant outcome was the finding that both Brunhes excursional flows display nearly fully reversed directions that deviate almost 180°C from the expected normal polarity direction. This observation could indicate that in particular the Big Lost and Delta/Stage17 excursions may represent other short periods during which the field completed a full reversal for a short time, such as was previously found for other older cryptochrons or tiny wiggles. Another focus of this thesis was set on estimating the feasibility of the new MS method for routine palaeointensity determination. This was accomplished by applying the MS method to samples from 11 historical lava flows from Mexico and Iceland from which the actual field intensity was either known from contemporary observatory data, or deduced from magnetic field models. Comparing observed with expected intensity values allowed to test the accuracy of the MS method. It a was found that the majority of palaeointensity estimates after the MS method yielded results that were very close or indistinguishable within the range of uncertainty from the expected values. However, a general trend towards an overestimate in the palaeointensity was also observed, which, on the grounds of corroborating rock magnetic analyses, was associated with multidomain material. This observation was taken as first evidence that the MS method is not entirely independent of magnetic domain state, as was originally claimed. However, a second experiment in which a modification of the most widely used Thellier method was applied to sister samples from 5 Icelandic flows revealed that, in comparison to the MS method, the latter produced more accurate and statistically better defined palaeointensities. Thus, from these first results, the MS method appeared as a viable alternative for future palaeointensity studies. Subsequently it was attempted to corroborate the directional record from Mexican lavas with palaeointensity data. It was possible to acquire palaeointensity estimates for 32 out of 51 investigated lava flows. These new results revealed that the new MS palaeointensities for Mexico are, with a high degree of statistical significance, around 30% higher than expected. The generally high palaeointensities seem to corroborate the results obtained from historical lava flows in this study and other previous studies on synthetic samples where domain state effects were found to cause overestimates in the palaeointensity of up to 30 per cent in the MS method. The primary process that leads to this overestimate is assigned to an asymmetry in the demagnetisation and remagnetisation process. Yet, this overestimate is expected to be no larger than what might be expected from Thellier experiments performed on samples with a given degree of multidomain behaviour.
KW  - Earth's magnetic field
KW  - palaeointensity
KW  - palaeomagnetism
KW  - rockmagnetism
KW  - Mexico
KW  - Erdmagnetfeld
KW  - Paläointensität
KW  - Paläomagnetik
KW  - Gesteinsmagnetik
KW  - Mexiko
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31868
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zamagni, Jessica
T1  - Responses of a shallow-water ecosystem to the early Paleogene greenhouse environmental conditions : evolution of Larger Foraminifera and coral communities from the Northern Tethys
T1  - Veränderte Entwicklungen von Flachwasser-Ökosystemen im Bezug auf die Umweltbedingungen des Treibhaus-Klimas des frühen Paläogens : Evolution der Groß-Foraminiferen und Korallen-Gemeinschaften in der nördlichen Tethys
N2  - Modern anthropogenic forcing of atmospheric chemistry poses the question of how the Earth System will respond as thousands of gigatons of greenhouse gas are rapidly added to the atmosphere. A similar, albeit nonanthropogenic, situation occurred during the early Paleogene, when catastrophic release of carbon to the atmosphere triggered abrupt increase in global temperatures. The best documented of these events is the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM, ~55 Ma) when the magnitude of carbon addition to the oceans and atmosphere was similar to those expected for the future. This event initiated global warming, changes in hydrological cycles, biotic extinction and migrations. A recently proposed hypothesis concerning changes in marine ecosystems suggests that this global warming strongly influenced the shallow-water biosphere, triggering extinctions and turnover in the Larger Foraminifera (LF) community and the demise of corals. The successions from the Adriatic Carbonate Platform (SW Slovenia) represent an ideal location to test the hypothesis of a possible causal link between the PETM and evolution of shallow-water organisms because they record continuous sedimentation from the Late Paleocene to the Early Eocene and are characterized by a rich biota, especially LF, fundamental for detailed biostratigraphic studies. In order to reconstruct paleoenvironmental conditions during deposition, I focused on sedimentological analysis and paleoecological study of benthic assemblages. During the Late Paleocene-earliest Eocene, sedimentation occurred on a shallow-water carbonate ramp system characterized by enhanced nutrient levels. LF represent the common constituent of the benthic assemblages that thrived in this setting throughout the Late Paleocene to the Early Eocene. With detailed biostratigraphic and chemostratigraphic analyses documenting the most complete record to date available for the PETM event in a shallow-water marine environment, I correlated chemostratigraphically for the first time the evolution of LF with the δ¹³C curves. This correlation demonstrated that no major turnover in the LF communities occurred synchronous with the PETM; thus the evolution of LF was mainly controlled by endogenous biotic forces. The study of Late Thanetian metric-sized microbialite-coral mounds which developed in the middle part of the ramp, documented the first Cenozoic occurrence of microbially-cemented mounds. The development of these mounds, with temporary dominance of microbial communities over corals, suggest environmentally-triggered “phase shifts” related to frequent fluctuations of nutrient/turbidity levels during recurrent wet phases which preceding the extreme greenhouse conditions of the PETM. The paleoecological study of the coral community in the microbialites-coral mounds, the study of corals from Early Eocene platform from SW France, and a critical, extensive literature research of Late Paleocene – Early Eocene coral occurrences from the Tethys, the Atlantic, the Caribbean realms suggested that these corals types, even if not forming extensive reefs, are common in the biofacies as small isolated colonies, piles of rubble or small patch-reefs. These corals might have developed ‘alternative’ life strategies to cope with harsh conditions (high/fluctuating nutrients/turbidity, extreme temperatures, perturbation of aragonite saturation state) during the greenhouse times of the early Paleogene, representing a good fossil analogue to modern corals thriving close to their thresholds for survival. These results demonstrate the complexity of the biological responses to extreme conditions, not only in terms of temperature but also nutrient supply, physical disturbance and their temporal variability and oscillating character.
N2  - Die anthropogene Beeinflussung der Chemie der Atmosphäre in der modernen Zeit wirft die Frage nach dem Schicksal des Systems Erde auf, wenn tausende von Tonnen an Treibhausgasen in kurzer Zeit in die Atmosphäre einströmen. Im Känozoikum trat bereits eine ähnliche Situation während des frühen Paläogens auf, als eine katastrophale Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre einen plötzlichen Anstieg der globalen Temperatur hervorrief. Das am besten dokumentierte dieser Ereignisse stellt das Paläozän-Eozäne Temperatur Maximum (PETM, ~55 Ma) dar, bei welchem die Größenordnung der Kohlenstoffzufuhr in Ozeanen und Atmosphäre jener ähnelte, die in der Zukunft zu erwarten ist. Das damalige Ereignis initiierte eine globale Erwärmung, Veränderungen hydrologischer Kreisläufe, biotische Auslöschung und Abwanderungen. Eine kürzlich veröffentlichte Hypothese zu Veränderungen in marinen Ökosystemen postuliert, dass diese globale Erwärmung die Biosphäre der Flachwässer stark beeinflusste, indem sie Aussterben und Fluktuation innerhalb der Gemeinschaft der Großforaminiferen (GF) sowie den Niedergang einiger Korallen bewirkte. Die Abfolgen der Adriatischen Karbonatplattform (SW-Slovenien) stellen einen idealen Ort dar, um die Hypothese des kausalen Zusammenhangs zwischen dem PETM und der Evolution der Flachwasserorganismen zu überprüfen, da sie aufgrund ihrer kontinuierlichen Sedimentation vom Spätpaläozän bis zum Früheozän und ihres Reichtums an Biota, insbesondere an GF, fundamentale Voraussetzungen für eine detaillierte biostratigraphische Studie erfüllen. Um die Paläoumweltbedingungen während der Sedimentablagerung zu rekonstruieren, wurde der Schwerpunkt dieser Arbeit auf eine sedimentologische Analyse und eine paäoökologische Studie benthischer Vergesellschaftungen gesetzt. Während dem Spätpaläozan bis zum frühesten Eozän fand die Sedimentation auf einem Flachwasser-Rampensystem statt, welches durch ein erhöhtes Nährstoffangebot gekennzeichnet war. GF stellen jenen häufigen und verbreiteten Bestandteil der benthischen Vergesellschaftungen dar, welcher in dieser Umgebung durch das Spätpaläozän hindurch bis ins Früheozän gedeihen konnte. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten detaillierten bio- und chemostratigraphischen Analysen, deren Dokumentation den zur Zeit vollständigsten Datensatz für das PETM-Ereignis in einem flachmarinen Milieu repräsentieren, wurde die Evolution der GF zum ersten Mal mit δ¹³C -Kurven chemostratigraphisch korreliert. Diese Korrelation zeigte, dass in den GF-Gemeinschaften keine großmaßstäbliche Fluktuation zeitgleich mit dem PETM auftrat, und dass daher die Evolution der GF hauptsächlich durch endogene biotische Einflüsse kontrolliert worden sein muss. Die Studie mikrobiell-überkrustete Korallenhügel im Größenbereich zwischen einigen Metern und einigen Zehnermetern, die sich im Spätthanetium im mittleren Teil der Rampe entwickelten, dokumentiert das erste Auftreten mikrobiell-zementierter Erhebungen während des Känozoikums. Die Entwicklung dieser Erhebungen, mit einer zeitweiligen Dominanz der mikrobiellen Gemeinschaften gegenüber den Korallen, spricht für ein Auftreten Umwelt-gesteuerter "Phasenverschiebungen" im Zusammenhang mit häufigen Wechseln von Nahrungsangebot und Trübung während wiederkehrender nasser Phasen, welche dem extremen Treibhaus der PETM vorausgingen. Die paläoökologische Studie der Korallen-Gemeinschaften in den mikrobiell-überkrusteten Korallenhügeln, die Studie der Korallen der früheozänen Plattform in SW-Frankreich sowie eine kritische, ausgedehnte Literaturrecherche zum Auftreten spätpaläozäner bis früheozäner Korallen in der Tethys, im Atlantik und in der Karibik sprechen dafür, dass diese Korallentypen – selbst wenn sie nicht ausgedehnte Riffe formen – in der Biofazies häufig als kleine isolierte Kolonien, Berge von Geröll oder kleine Kuppelriffe auftreten. Diese Korallen könnten 'alternative' Überlebensstrategien entwickelt haben, um mit den rauen Bedingungen (hohes/wechselndes Nahrungsangebot, schwache/starke Trübung, schwankende Temperaturen, häufige physikalische Störungen) fertig zu werden, die während den Zeiten des paläogenen Treibhauses vorherrschten, und stellen damit ein gutes fossiles Analog zu modernen Korallen dar, welche nahe an ihrer Überlebensgrenze gedeihen. Diese Ergebnisse zeigen die Komplexität der biologischen Reaktionen auf extreme Bedingungen, nicht nur im Hinblick auf Temperaturen, sondern auch hinsichtlich Nahrungsangebot, physikalische Beeinträchtigungen sowie deren zeitliche Schwankungen und deren oszillierenden Charakter.
KW  - Paläoökologie
KW  - Paläoklimatologie
KW  - Flachwassercarbonate
KW  - Foraminifera
KW  - Korallen
KW  - paleoecology
KW  - paleoclimatology
KW  - shallow-water carbonates
KW  - foraminifera
KW  - corals
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31853
ER  -