TY - THES A1 - Martin, Johannes T1 - Synthesis of protein-polymer conjugates and block copolymers via sortase-mediated ligation N2 - In den vergangenen Jahrzehnten haben therapeutische Proteine in der pharmazeutischen Industrie mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Werden Proteine nichtmenschlichen Ursprungs verwendet, kann es jedoch zu einer Immunreaktion kommen, sodass das Protein sehr schnell aus dem Körper ausgeschieden oder abgebaut wird. Um die Zirkulationszeit im Blut signifikant zu verlängern, werden die Proteine mit synthetischen Polymeren modifiziert (Protein-Polymer-Konjugate). Die Proteine aller heute auf dem Markt erhältlichen Medikamente dieser Art tragen eine oder mehrere Polymerketten aus Poly(ethylenglycol) (PEG). Ein Nachteil der PEGylierung ist, dass viele Patienten bei regelmäßiger Einnahme dieser Medikamente Antikörper gegen PEG entwickeln, die den effizienzsteigernden Effekt der PEGylierung wieder aufheben. Ein weiterer Nachteil der PEGylierung ist die oftmals deutlich verringerte Aktivität der Konjugate im Vergleich zum nativen Protein. Der Grund dafür ist die Herstellungsmethode der Konjugate, bei der meist die primären Amine der Lysin-Seitenketten und der N-Terminus des Proteins genutzt werden. Da die meisten Proteine mehrere gut zugängliche Lysine aufweisen, werden oft unterschiedliche und teilweise mehrere Lysine mit PEG funktionalisiert, was zu einer Mischung an Regioisomeren führt. Je nach Position der PEG-Kette kann das aktive Zentrum abgeschirmt oder die 3D-Struktur des Proteins verändert werden, was zu einem teilweise drastischen Aktivitätsabfall führt. In dieser Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Ligation von Makromolekülen untersucht. Die Verwendung eines Enzyms als Katalysator zur Verbindung zweier Makromoleküle ist bisher wenig untersucht und ineffizient. Als Enzym wurde Sortase A ausgewählt, eine gut untersuchte Ligase aus der Familie der Transpeptidasen, welche die Ligation zweier Peptide katalysieren kann. Ein Nachteil dieser Sortase-vermittelten Ligation ist, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, wodurch hohe Ausbeuten schwierig zu erreichen sind. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei zuvor entwickelte Methoden zur Verschiebung des Gleichgewichts ohne Einsatz eines großen Überschusses von einem Edukt für Makromoleküle überprüft. Zur Durchführung der Sortase-vermittelten Ligation werden zwei komplementäre Peptidsequenzen verwendet, die Erkennungssequenz und das Nukleophil. Um eine systematische Untersuchung durchführen zu können, wurden alle nötigen Bausteine (Protein-Erkennungssequenz zur Reaktion mit Nukleophil-Polymer und Polymer-Erkennungssequenz mit Nukleophil-Protein) hergestellt. Als Polymerisationstechnik wurde die radikalische Polymerisation mit reversibler Deaktivierung (im Detail, Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP und Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer, RAFT polymerization) gewählt, um eine enge Molmassenverteilung zu erreichen. Die Herstellung der Bausteine begann mit der Synthese der Peptide via automatisierter Festphasen-Peptidsynthese, um eine einfache Änderung der Peptidsequenz zu gewährleisten und um eine Modifizierung der Polymerkette nach der Polymerisation zu umgehen. Um die benötigte unterschiedliche Funktionalität der zwei Peptidsequenzen (freier C-Terminus bei der Erkennungssequenz bzw. freier N-Terminus bei dem Nukleophil) zu erreichen, wurden verschiedene Linker zwischen Harz und Peptid verwendet. Danach wurde der Kettenüberträger (chain transfer agent, CTA) zur Kontrolle der Polymerisation mit dem auf dem Harz befindlichen Peptid gekoppelt. Die für die anschließende Polymerisation verwendeten Monomere basierten auf Acrylamiden und Acrylaten und wurden anhand ihrer Eignung als Alternativen zu PEG ausgewählt. Es wurde eine kürzlich entwickelte Technik basierend auf der RAFT-Polymerisation (xanthate-supported photo-iniferter RAFT, XPI-RAFT) verwendet um eine Reihe an Peptid-Polymeren mit unterschiedlichen Molekulargewichten und engen Molekulargewichtsverteilungen herzustellen. Nach Entfernung der Schutzgruppen der Peptid-Seitenketten wurden die Peptid-Polymere zunächst genutzt, um mittels Sortase-vermittelter Ligation zwei Polymerketten zu einem Blockcopolymer zu verbinden. Unter Verwendung von Ni2+-Ionen in Kombination mit einer Verlängerung der Erkennungssequenz um ein Histidin zur Unterdrückung der Rückreaktion konnte ein maximaler Umsatz von 70 % erreicht werden. Dabei zeigte sich ein oberes Limit von durchschnittlich 100 Wiederholungseinheiten; die Ligation von längeren Polymeren war nicht erfolgreich. Danach wurden ein Modellprotein und ein Nanobody mit vielversprechenden medizinischen Eigenschaften mit den für die enzymkatalysierte Ligation benötigten Peptidsequenzen für die Kopplung mit den zuvor hergestellten Peptid-Polymeren verwendet. Dabei konnte bei Verwendung des Modellproteins keine Bildung von Protein-Polymer-Konjugaten beobachtet werden. Der Nanobody konnte dagegen C-terminal mit einem Polymer funktionalisiert werden. Dabei wurde eine ähnliche Limitierung in der Polymer-Kettenlänge beobachtet wie zuvor. Die auf Ni-Ionen basierte Strategie zur Gleichgewichtsverschiebung hatte hier keinen ausschlaggebenden Effekt, während die Verwendung von einem Überschuss an Polymer zur vollständigen Umsetzung des Edukt-Nanobody führte. Die erhaltenen Daten aus diesem Projekt bilden eine gute Basis für weitere Forschung in dem vielversprechenden Feld der enzymkatalysierten Herstellung von Protein-Polymer-Konjugaten und Blockcopolymeren. Langfristig könnte diese Herangehensweise eine vielseitig einsetzbare Herstellungsmethode von ortsspezifischen therapeutischen Protein-Polymer Konjugaten darstellen, welche sowohl eine hohe Aktivität als auch eine lange Zirkulationszeit im Blut aufweisen. N2 - During the last decades, therapeutical proteins have risen to great significance in the pharmaceutical industry. As non-human proteins that are introduced into the human body cause a distinct immune system reaction that triggers their rapid clearance, most newly approved protein pharmaceuticals are shielded by modification with synthetic polymers to significantly improve their blood circulation time. All such clinically approved protein-polymer conjugates contain polyethylene glycol (PEG) and its conjugation is denoted as PEGylation. However, many patients develop anti-PEG antibodies which cause a rapid clearance of PEGylated molecules upon repeated administration. Therefore, the search for alternative polymers that can replace PEG in therapeutic applications has become important. In addition, although the blood circulation time is significantly prolonged, the therapeutic activity of some conjugates is decreased compared to the unmodified protein. The reason is that these conjugates are formed by the traditional conjugation method that addresses the protein's lysine side chains. As proteins have many solvent exposed lysines, this results in a somewhat uncontrolled attachment of polymer chains, leading to a mixture of regioisomers, with some of them eventually affecting the therapeutic performance. This thesis investigates a novel method for ligating macromolecules in a site-specific manner, using enzymatic catalysis. Sortase A is used as the enzyme: It is a well-studied transpeptidase which is able to catalyze the intermolecular ligation of two peptides. This process is commonly referred to as sortase-mediated ligation (SML). SML constitutes an equilibrium reaction, which limits product yield. Two previously reported methods to overcome this major limitation were tested with polymers without using an excessive amount of one reactant. Specific C- or N-terminal peptide sequences (recognition sequence and nucleophile) as part of the protein are required for SML. The complementary peptide was located at the polymer chain end. Grafting-to was used to avoid damaging the protein during polymerization. To be able to investigate all possible combinations (protein-recognition sequence and nucleophile-protein as well as polymer-recognition sequence and nucleophile-polymer) all necessary building blocks were synthesized. Polymerization via reversible deactivation radical polymerization (RDRP) was used to achieve a narrow molecular weight distribution of the polymers, which is required for therapeutic use. The synthesis of the polymeric building blocks was started by synthesizing the peptide via automated solid-phase peptide synthesis (SPPS) to avoid post-polymerization attachment and to enable easy adaptation of changes in the peptide sequence. To account for the different functionalities (free N- or C-terminus) required for SML, different linker molecules between resin and peptide were used. To facilitate purification, the chain transfer agent (CTA) for reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization was coupled to the resin-immobilized recognition sequence peptide. The acrylamide and acrylate-based monomers used in this thesis were chosen for their potential to replace PEG. Following that, surface-initiated (SI) ATRP and RAFT polymerization were attempted, but failed. As a result, the newly developed method of xanthate-supported photo-iniferter (XPI) RAFT polymerization in solution was used successfully to obtain a library of various peptide-polymer conjugates with different chain lengths and narrow molar mass distributions. After peptide side chain deprotection, these constructs were used first to ligate two polymers via SML, which was successful but revealed a limit in polymer chain length (max. 100 repeat units). When utilizing equimolar amounts of reactants, the use of Ni2+ ions in combination with a histidine after the recognition sequence to remove the cleaved peptide from the equilibrium maximized product formation with conversions of up to 70 %. Finally, a model protein and a nanobody with promising properties for therapeutical use were biotechnologically modified to contain the peptide sequences required for SML. Using the model protein for C- or N-terminal SML with various polymers did not result in protein-polymer conjugates. The reason is most likely the lack of accessibility of the protein termini to the enzyme. Using the nanobody for C-terminal SML, on the other hand, was successful. However, a similar polymer chain length limit was observed as in polymer-polymer SML. Furthermore, in case of the synthesis of protein-polymer conjugates, it was more effective to shift the SML equilibrium by using an excess of polymer than by employing the Ni2+ ion strategy. Overall, the experimental data from this work provides a good foundation for future research in this promising field; however, more research is required to fully understand the potential and limitations of using SML for protein-polymer synthesis. In future, the method explored in this dissertation could prove to be a very versatile pathway to obtain therapeutic protein-polymer conjugates that exhibit high activities and long blood circulation times. KW - biohybrid molecules KW - sortaseA KW - polymerization KW - RAFT KW - ATRP KW - peptide synthesis KW - enzymatic conjugation KW - sortagging Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-645669 ER - TY - THES A1 - Adam, Jan P. T1 - Top-Management-Support und die Digitalisierung von Verwaltungsleistungen T1 - Top management support and the digitalization of administrative services BT - Analyse zu den Effekten begrenzter Rationalität auf die Umsetzung von OZG-Leistungen und die Rolle des Verwaltungsmanagements BT - an analysis of the effects of bounded rationality on the implementation of OZG services and the role of administrative management N2 - Digitalization is a key component of current administrative reforms. Despite its high importance and long-standing efforts, the balance of administrative digitalization in Germany remains ambivalent. This study investigates the influencing factors on the implementation of digitalization projects in public administration, with a special focus on the role of top management support. This study focuses on three successful digitalization projects from the German Online Access Act (OZG) and analyzes, using problem-centered expert interviews, the influencing factors on the implementation of OZG projects and the role of management in this process. The analysis is theoretically grounded and based on the approach of bounded rationality and the economic theory of bureaucracy. The results suggest that the identified influencing factors affect the reusability and maturity level of administrative services differently and can be interpreted as consequences of bounded rationality in the human problem-solving process. Managers influence the bounded rationality of operational actors by implementing appropriate strategies in the support of their implementation tasks. This includes providing resources, contributing their expertise, making information accessible, changing decision-making pathways, and contributing to conflict resolution. The study provides valuable insights into actual management practices and derives recommendations for the implementation of public digitalization projects and the management of public administrations. This study makes an important contribution to understanding the influence of management in digitalization. It also underscores the need for further research in this area to better understand the practices and challenges of administrative digitalization and to effectively address them. N2 - Die Digitalisierung ist ein wesentlicher Bestandteil aktueller Verwaltungsreformen. Trotz der hohen Bedeutung und langjähriger Bemühungen bleibt die Bilanz der Verwaltungsdigitalisierung in Deutschland ambivalent. Diese Studie konzentriert sich auf drei erfolgreiche Digitalisierungsvorhaben aus dem Onlinezugangsgesetz (OZG) und analysiert mittels problemzentrierter Expertenbefragung Einflussfaktoren auf die Umsetzung von OZG-Vorhaben und den Einfluss des Managements in diesem Prozess. Die Analyse erfolgt theoriegeleitet basierend auf dem Ansatz der begrenzten Rationalität und der ökonomischen Theorie der Bürokratie. Die Ergebnisse zeigen, dass anzunehmen ist, dass die identifizierten Einflussfaktoren unterschiedlich auf Nachnutzbarkeit und Reifegrad von Verwaltungsleistungen wirken und als Folgen begrenzter Rationalität im menschlichen Problemlösungsprozess interpretiert werden können. Managerinnen unterstützen die operativen Akteure bei der Umsetzung, indem sie deren begrenzte Rationalität mit geeigneten Strategien adressieren. Dazu können sie Ressourcen bereitstellen, mit ihrer Expertise unterstützen, Informationen zugänglich machen, Entscheidungswege verändern sowie zur Konfliktlösung beitragen. Die Studie bietet wertvolle Einblicke in die tatsächliche Managementpraxis und leitet daraus Empfehlungen für die Umsetzung öffentlicher Digitalisierungsvorhaben sowie für die Steuerung öffentlicher Verwaltungen ab. Diese Studie liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Einflusses des Managements in der Verwaltungsdigitalisierung. Die Studie unterstreicht außerdem die Notwendigkeit weiterer Forschung in diesem Bereich, um die Praktiken und Herausforderungen der Verwaltungsdigitalisierung besser zu verstehen und effektiv zu adressieren. KW - Verwaltungsdigitalisierung KW - Top-Management-Support KW - öffentliche Verwaltung KW - E-Government KW - begrenzte Rationalität KW - Digitalisierung KW - OZG-Umsetzung KW - Verwaltungsreformen KW - administrative digitalization KW - top management support KW - public administration KW - eGovernment KW - digitalization projects KW - bounded rationality KW - OZG implementation KW - management practices Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-647132 ER - TY - THES A1 - Franke, Vanessa T1 - Die Entwicklung des Verantwortungseigentums anhand der Carl-Zeiss-Stiftung unter Ernst Abbe T2 - Europäische Hochschulschriften Recht N2 - Die Dissertation untersucht die Entwicklung des Verantwortungseigentums insbesondere anhand der Carl-Zeiss-Stiftung unter Ernst Abbe. Der Begriff des Verantwortungseigentums wird seit einigen Jahren in der rechtspolitischen Debatte zu alternativen Unternehmens- und Eigentumsformen diskutiert. Dabei wird die Einführung einer eigenen Gesellschaftsform gefordert. Die Dissertation widmet sich diesen Forderungen und den Entwicklungen des Verantwortungseigentums anhand der Carl-Zeiss-Stiftung und ihrer Stiftungsbetriebe Zeiss und Schott. Dort wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts eine Form dessen, was Jurist:innen heute unter Verantwortungseigentum verstehen, kautelar-juristisch eingeführt und geprägt. Ziel und Zweck der Arbeit war es, die Überschneidungen, Parallelen und Unterschiede der Rechtssubjekte zu untersuchen und der Frage auf den Grund zu gehen, ob das Verantwortungseigentum einer längeren Rechtstradition folgt oder eine rein zeitgenössische Idee ist. Y1 - 2024 SN - 978-3-631-92255-2 SN - 978-3-631-92268-2 SN - 978-3-631-92269-9 U6 - https://doi.org/10.3726/b22044 SN - 0531-7312 VL - 6798 PB - Peter Lang CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Pregla, Andreas T1 - Word order variability in OV languages T1 - Wortstellungsvariabilität in verbfinalen Sprachen BT - a study on scrambling, verb movement, and postverbal elements with a focus on Uralic languages BT - eine Untersuchung von Scrambling, Verbbewegung und postverbalen Elementen mit besonderem Augenmerk auf die uralischen Sprachen N2 - This thesis explores word order variability in verb-final languages. Verb-final languages have a reputation for a high amount of word order variability. However, that reputation amounts to an urban myth due to a lack of systematic investigation. This thesis provides such a systematic investigation by presenting original data from several verb-final languages with a focus on four Uralic ones: Estonian, Udmurt, Meadow Mari, and South Sámi. As with every urban myth, there is a kernel of truth in that many unrelated verb-final languages share a particular kind of word order variability, A-scrambling, in which the fronted elements do not receive a special information-structural role, such as topic or contrastive focus. That word order variability goes hand in hand with placing focussed phrases further to the right in the position directly in front of the verb. Variations on this pattern are exemplified by Uyghur, Standard Dargwa, Eastern Armenian, and three of the Uralic languages, Estonian, Udmurt, and Meadow Mari. So far for the kernel of truth, but the fourth Uralic language, South Sámi, is comparably rigid and does not feature this particular kind of word order variability. Further such comparably rigid, non-scrambling verb-final languages are Dutch, Afrikaans, Amharic, and Korean. In contrast to scrambling languages, non-scrambling languages feature obligatory subject movement, causing word order rigidity next to other typical EPP effects. The EPP is a defining feature of South Sámi clause structure in general. South Sámi exhibits a one-of-a-kind alternation between SOV and SAuxOV order that is captured by the assumption of the EPP and obligatory movement of auxiliaries but not lexical verbs. Other languages that allow for SAuxOV order either lack an alternation because the auxiliary is obligatorily present (Macro-Sudan SAuxOVX languages), or feature an alternation between SVO and SAuxOV (Kru languages; V2 with underlying OV as a fringe case). In the SVO–SAuxOV languages, both auxiliaries and lexical verbs move. Hence, South Sámi shows that the textbook difference between the VO languages English and French, whether verb movement is restricted to auxiliaries, also extends to OV languages. SAuxOV languages are an outlier among OV languages in general but are united by the presence of the EPP. Word order variability is not restricted to the preverbal field in verb-final languages, as most of them feature postverbal elements (PVE). PVE challenge the notion of verb-finality in a language. Strictly verb-final languages without any clause-internal PVE are rare. This thesis charts the first structural and descriptive typology of PVE. Verb-final languages vary in the categories they allow as PVE. Allowing for non-oblique PVE is a pivotal threshold: when non-oblique PVE are allowed, PVE can be used for information-structural effects. Many areally and genetically unrelated languages only allow for given PVE but differ in whether the PVE are contrastive. In those languages, verb-finality is not at stake since verb-medial orders are marked. In contrast, the Uralic languages Estonian and Udmurt allow for any PVE, including information focus. Verb-medial orders can be used in the same contexts as verb-final orders without semantic and pragmatic differences. As such, verb placement is subject to actual free variation. The underlying verb-finality of Estonian and Udmurt can only be inferred from a range of diagnostics indicating optional verb movement in both languages. In general, it is not possible to account for PVE with a uniform analysis: rightwards merge, leftward verb movement, and rightwards phrasal movement are required to capture the cross- and intralinguistic variation. Knowing that a language is verb-final does not allow one to draw conclusions about word order variability in that language. There are patterns of homogeneity, such as the word order variability driven by directly preverbal focus and the givenness of postverbal elements, but those are not brought about by verb-finality alone. Preverbal word order variability is restricted by the more abstract property of obligatory subject movement, whereas the determinant of postverbal word order variability has to be determined in the future. N2 - Diese Dissertation behandelt die Wortstellungsvariabilität verbfinaler Sprachen. Verbfinale Sprachen haben den Ruf, ein hohes Maß an Wortstellungsvariabilität aufzuweisen. Dieser Ruf beruht jedoch lediglich auf anekdotischen Befunden, da es einer systematischen Untersuchung eines solchen Zusammenhangs ermangelt. Die vorliegende Dissertation stellt eine solche systematische Untersuchung dar. Dafür werden neu erhobene Daten zu mehreren verbfinalen Sprachen präsentiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf vier uralischen Sprachen: Estnisch, Udmurtisch, Wiesenmari und Südsamisch. Der Ruf der Wortstellungsvariabilität erweist sich teils als wahr, da viele nicht miteinander verwandte, verbfinale Sprachen dieselbe Art Wortstellungsvariabilität teilen, das sogenannte A-Scrambling. A-Scrambling zeichnet sich gegenüber anderen Arten der Wortstellungsvariabilität dadurch aus, dass vorangestellten Elementen keine spezielle informationsstrukturelle Rolle wie Topic oder kontrastiver Fokus zukommt. A-Scrambling geht mit einem rechtsbefindlichen, unmittelbar präverbalen Fokus einher. Variationen des Musters aus A-Scrambling und präverbalem Fokus finden sich im Uigurischen, Standard-Dargwa, Ostarmenischen und in drei der uralischen Sprachen, nämlich Estnisch, Udmurtisch und Wiesenmari. Insofern bestätigt sich der Eindruck einer homogenen Wortstellungsvariabilität in verbfinalen Sprachen. Die vierte untersuchte uralische Sprache, Südsamisch, widerspricht diesem Eindruck jedoch. Südsamisch weist eine vergleichsweise feste Wortstellung auf trägt nicht die Kennzeichen von A-Scrambling. Darüberhinaus gibt es noch weitere, vergleichsweise starre, scramblinglose verbfinale Sprachen: Niederländisch, Afrikaans, Amharisch und Koreanisch. Im Gegensatz zu Sprachen mit A-Scrambling weisen scramblinglose Sprachen obligatorische Subjektbewegung (EPP) auf. Das EPP führt neben anderen typischen EPP-Effekten zu einer starren Wortstellung. Das EPP ist ein zentrales Merkmal der Satzstruktur im Südsamischen. Das Südsamische weist eine bislang nicht attestierte Alternation zwischen SOV- und SAuxOV-Stellung auf. Diese Alternation kann durch das Zusammenspiel von EPP und der obligatorischen Bewegung von Hilfsverben, nicht jedoch von lexikalischen Verben, erfasst werden. Andere Sprachen mit SAuxOV-Stellung weisen entweder keine systematische Alternation auf, weil das Hilfsverb obligatorisch vorhanden ist (Makro-Sudanische SAuxOVX-Sprachen), oder sie weisen eine Alternation zwischen SVO und SAuxOV auf (Kru-Sprachen; V2 mit zugrundeliegender Verbfinalität als Zweifelsfall). In den SVO–SAuxOV-Sprachen bewegen sich sowohl Hilfsverben als auch lexikalische Verben. Somit zeigt das Südsamische, dass eine sonst nur für VO-Sprachen bekannte parametrische Unterscheidung auch für OV-Sprachen gilt: der weithin bekannte Unterschied zwischen VO-Sprachen wie Englisch und Französisch, ob Verbbewegung auf Hilfsverben beschränkt ist. SAuxOV-Sprachen bilden insgesamt eine Ausnahme unter den OV-Sprachen, aber sie sind durch das Vorhandensein des EPP vereint. Wortstellungsvariabilität beschränkt sich in verbfinalen Sprachen nicht auf die präverbale Domäne. Die meisten verbfinalen Sprachen weisen postverbale Elemente (PVE) auf. PVE stellen den Status der Verbfinalität infrage. Strikt verbfinale Sprachen ohne jegliche satzinterne PVE sind jedoch selten. Diese Dissertation stellt zum ersten Mal eine strukturelle und deskriptive PVE-Typologie vor. Verbfinale Sprachen variieren in den Kategorien, die sie als PVE zulassen. Das Zulassen von nicht-oblike PVE ist eine entscheidende Schwelle: Wenn nicht-oblike PVE erlaubt sind, können PVE für informationsstrukturelle Effekte verwendet werden. Viele areal und genetisch nicht verwandte Sprachen erlauben nur gegebene PVE, unterscheiden sich jedoch darin, ob die PVE kontrastiv kontrastiv sein können. In diesen Sprachen steht die Verbfinalität nicht zur Debatte, da verbmediale Ordnungen nicht neutral sind. Im Gegensatz dazu erlauben die uralischen Sprachen Estnisch und Udmurtisch jede Art von PVE, einschließlich Informationsfoki. Verbmediale Stellungen können dort also in denselben Kontexten wie verbfinale Stellungen verwendet werden, ohne dass es zu semantischen und pragmatischen Unterschieden kommt. Hier kann also die Rede von tatsächlicher freier Variation in der Verbstellung sein. Die zugrunde liegende Verbfinalität des Estnischen und Udmurtischen kann nur mithilfe einer Reihe syntaktischer Tests abgeleitet werden, die auf optionale Verbbewegung in beiden Sprachen hinweisen. Insgesamt ist es nicht möglich, PVE mit einer einheitlichen Analyse zu erfassen: Merger nach rechts, linksgerichtete Verbbewegung und rechtsgerichtete Phrasenbewegung sind erforderlich, um die inter- und intralinguistische Variation zu erfassen. Zu wissen, dass eine Sprache verbfinal ist, erlaubt keine unfehlbaren Schlüsse über die Wortstellungsvariabilität in dieser Sprache. Es gibt Muster der Homogenität, wie die durch unmittelbar präverbalen Fokus und die Gegebenheit postverbaler Elemente getriebene Wortstellungsvariabilität. Diese Muster ergeben sich aber nicht allein aus der Verbfinalität. Die präverbale Wortstellungsvariabilität wird durch die abstraktere Eigenschaft der obligatorischen Subjektbewegung (EPP) bestimmt. Was die Möglichkeiten postverbaler Wortstellungsvariabilität bestimmt muss künftig ermittelt werden. KW - Uralic languages KW - syntax KW - word order KW - information structure KW - verb-final languages KW - uralische Sprachen KW - Syntax KW - Informationsstruktur KW - Wortstellung KW - verbfinale Sprachen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643636 ER - TY - THES A1 - Haskamp, Thomas T1 - Products design organizations T1 - Produkte designen Organisationen BT - how industrial-aged companies accomplish digital product innovation BT - wie etablierte Industrieunternehmen digitale Produktinnovationen erreichen N2 - The automotive industry is a prime example of digital technologies reshaping mobility. Connected, autonomous, shared, and electric (CASE) trends lead to new emerging players that threaten existing industrial-aged companies. To respond, incumbents need to bridge the gap between contrasting product architecture and organizational principles in the physical and digital realms. Over-the-air (OTA) technology, that enables seamless software updates and on-demand feature additions for customers, is an example of CASE-driven digital product innovation. Through an extensive longitudinal case study of an OTA initiative by an industrial- aged automaker, this dissertation explores how incumbents accomplish digital product innovation. Building on modularity, liminality, and the mirroring hypothesis, it presents a process model that explains the triggers, mechanisms, and outcomes of this process. In contrast to the literature, the findings emphasize the primacy of addressing product architecture challenges over organizational ones and highlight the managerial implications for success. N2 - Die Entwicklung neuer digitaler Produktinnovation erfordert in etablierten Industrieunternehmen die Integration von digitalen und physischen Elementen. Dies ist besonders in der Automobilindustrie sichtbar, wo der Trend zu vernetzter, autonomer, gemeinsam genutzter und elektrischer Mobilität zu einem neuen Wettbewerb führt, welcher etablierte Marktteilnehmer bedroht. Diese müssen lernen wie die Integration von gegensätzlichen Produktarchitekturen und Organisationsprinzipien aus der digitalen und physischen Produktentwicklung funktioniert. Die vorliegende Dissertation widmet sich diesem Problem. Basierend auf einer Fallstudie einer digitalen Produktinnovationsinitiative eines Premiummobilitätsanbieters rund um die Integration von Over-the-Air-Technologie für Software-Updates liefert sie wichtige Erkenntnisse. Erstens, etablierte Organisationen müssen Ihre Produktarchitektur befähigen, um verschiedene Produktarchitekturprinzipien in Einklang zu bringen. Zweitens, verschiedene Produktentwicklungsprozesse pro Produktebene müssen aufeinander abgestimmt werden. Drittens, die Organisationsstruktur muss erweitert werden, um die verschiedenen Produktebenen abzubilden. Darüber hinaus müssen auch Ressourcenallokationsprozesse auf die Entwicklungsprozesse abgestimmt werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen und mit der bestehenden Fachliteratur wird in der Dissertation ein Prozessmodell entwickelt, welches erklären soll, wie etablierte Industrieunternehmen digitale Produktinnovation erreichen. Kernauslöser sind externer Marktdruck sowie existierende Architekturprinzipien. Wechselseitige Mechanismen wie die Befähigung der Produktarchitektur, die Erweiterung der Organisationstruktur, die Anpassung der Produktentwicklungsprozesse und die Anpassung der Ressourcenallokationsprozesse erklären den Prozess welcher in einer neuen Produktarchitektur sowie einer erweiterten Organisationsstruktur mündet. Der Forschungsbeitrag der Arbeit liegt im Bereich der digitalen Produktinnovation. Sie verlagert den Forschungsfokus auf Fragen der Produktarchitektur und verbindet diese durch Konzepte der Modularität mit organisatorischen Fragestellungen. Für die Praxis ergeben sich vier Hebel die Entscheidungsträger/innen nutzen können, um die Fähigkeiten zur digitalen Produktinnovation zu stärken. KW - digital product innovation KW - digital transformation KW - digital innovation KW - digitale Produktinnovation KW - digitale Transformation KW - digitale Innovation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646954 ER - TY - THES A1 - Fritz, Sylvia T1 - Sozialisierung im Gewährleistungsstaat BT - ein Beitrag zu Auslegung und Anwendung von Artikel 15 des Grundgesetzes T2 - Studien zum öffentlichen Recht N2 - Artikel 15 Grundgesetz als sozialistische Utopie? Keineswegs. Die Sozialisierungsnorm gibt dem Gesetzgeber ein Instrument an die Hand, um staatliche Gewährleistungsverantwortung mithilfe gemeinwirtschaftlicher Organisationsformen wahrzunehmen. Sozialisierungsmaßnahmen greifen in das Eigentumsgrundrecht ein. Sie treffen zudem auf grundrechtliche Funktionsgarantien einer marktwirtschaftlichen Ordnung und die unionsrechtliche Systemgarantie zugunsten des freien Wettbewerbs. Die Arbeit untersucht daher die verfassungsrechtlichen Anforderungen an die Sozialisierungsgesetzgebung auf Bundes- und Landesebene einschließlich der gerichtlichen Kontrolle. Ferner zeigt die Arbeit auf, wie sich Sozialisierungsgesetze unionsrechtskonform verhalten können. Y1 - 2024 VL - 35 PB - Nomos CY - Baden-Baden ER - TY - THES A1 - Wojcik, Laurie Anne Myriam T1 - Beyond a single diversity facet: implications for the links between biodiversity, environmental changes and ecosystem functioning T1 - Mehr als eine einzelne Facette der Biodiversität: Auswirkungen auf die Verbindungen zwischen Biodiversität, Umweltveränderungen und der Funktionalität von Ökosystemen N2 - Human activities modify nature worldwide via changes in the environment, biodiversity and the functioning of ecosystems, which in turn disrupt ecosystem services and feed back negatively on humans. A pressing challenge is thus to limit our impact on nature, and this requires detailed understanding of the interconnections between the environment, biodiversity and ecosystem functioning. These three components of ecosystems each include multiple dimensions, which interact with each other in different ways, but we lack a comprehensive picture of their interconnections and underlying mechanisms. Notably, diversity is often viewed as a single facet, namely species diversity, while many more facets exist at different levels of biological organisation (e.g. genetic, phenotypic, functional, multitrophic diversity), and multiple diversity facets together constitute the raw material for adaptation to environmental changes and shape ecosystem functioning. Consequently, investigating the multidimensionality of ecosystems, and in particular the links between multifaceted diversity, environmental changes and ecosystem functions, is crucial for ecological research, management and conservation. This thesis aims to explore several aspects of this question theoretically. I investigate three broad topics in this thesis. First, I focus on how food webs with varying levels of functional diversity across three trophic levels buffer environmental changes, such as a sudden addition of nutrients or long-term changes (e.g. warming or eutrophication). I observed that functional diversity generally enhanced ecological stability (i.e. the buffering capacity of the food web) by increasing trophic coupling. More precisely, two aspects of ecological stability (resistance and resilience) increased even though a third aspect (the inverse of the time required for the system to reach its post-perturbation state) decreased with increasing functional diversity. Second, I explore how several diversity facets served as a raw material for different sources of adaptation and how these sources affected multiple ecosystem functions across two trophic levels. Considering several sources of adaptation enabled the interplay between ecological and evolutionary processes, which affected trophic coupling and thereby ecosystem functioning. Third, I reflect further on the multifaceted nature of diversity by developing an index K able to quantify the facet of functional diversity, which is itself multifaceted. K can provide a comprehensive picture of functional diversity and is a rather good predictor of ecosystem functioning. Finally I synthesise the interdependent mechanisms (complementarity and selection effects, trophic coupling and adaptation) underlying the relationships between multifaceted diversity, ecosystem functioning and the environment, and discuss the generalisation of my findings across ecosystems and further perspectives towards elaborating an operational biodiversity-ecosystem functioning framework for research and conservation. N2 - Menschliche Aktivität verändert die Natur weltweit durch Einflussnahme auf die Umwelt, Biodiversität und Funktionsweise von Ökosystemen, die wiederum Ökosystemdienstleistungen stören und sich negativ auf den Menschen auswirken. Eine dringende Herausforderung besteht daher darin, unsere Wirkung auf die Natur zu begrenzen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Umwelt, Biodiversität und dem Funktionalität von Ökosystemen voraussetzt. Diese drei Komponenten von Ökosystemen umfassen jedoch jeweils mehrere Dimensionen, die auf unterschiedliche Weise interagieren, und bisher haben wir kein umfassendes Bild von ihren Zusammenhängen und den zugrundeliegenden Mechanismen. Vor allem Diversität wird oft als eine einzige Facette betrachtet, nämlich als Artendiversität, während es auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen viele weitere Facetten gibt, z. B. genetische, phänotypische, funktionelle, multitrophische Diversität, die zusammen mehrere Quellen für Rohmaterial zur die Anpassung an Umweltveränderungen bilden und die Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen. Folglich ist die Untersuchung der Multidimensionalität von Ökosystemen, insbesondere der Zusammenhänge zwischen multifacettierter Diversität, Umweltveränderungen und Ökosystemfunktionen, von entscheidender Bedeutung für Forschung, Management und Naturschutz. In dieser Arbeit sollen mehrere Aspekte dieser Frage theoretisch untersucht werden. In dieser Arbeit untersuche ich drei große Themenbereiche. Erstens konzentriere ich mich auf die Frage, wie Nahrungsnetze mit unterschiedlichem Grad funktioneller Diversität auf drei trophischen Ebenen Umweltveränderungen abpuffern, wie etwa eine plötzliche Zugabe von Nährstoffen oder langfristige Veränderungen (z. B. Erwärmung oder Eutrophierung). Hier habe ich festgestellt, dass die funktionelle Diversität die ökologische Stabilität (d. h. die Pufferkapazität des Nahrungsnetzes) durch eine stärkere trophische Kopplung allgemein erhöht. Im Speziellen nahmen zwei Aspekte der ökologischen Stabilität (Resistenz und Resilienz) zu, obwohl ein dritter Aspekt, der Kehrwert der Zeit, die das System benötigt, um den Post-Störungszustand zu erreichen, mit zunehmender funktioneller Diversität abnahm. Zweitens untersuche ich, wie mehrere Facetten der Diversität als Basis für mehrere Anpassungsprozesse aus verschiedenen Quellen dienten und wie diese Quellen mehrere Ökosystemfunktionen auf zwei trophischen Ebenen beeinflussten. Die Berücksichtigung mehrerer Anpassungsquellen ermöglichte das Zusammenspiel zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen, die sich auf die trophische Kopplung und damit auf die Funktionalität des Ökosystems auswirkten. Drittens reflektiere ich weiter über die Facetten der Diversität, indem ich einen Index K entwickle, der die Facette der funktionalen Diversität quantifizieren kann, welche wiederum selbst vielschichtig ist. K kann ein umfassendes Bild der funktionellen Diversität vermitteln und ist ein recht guter Prädiktor für das Funktionieren von Ökosystemen. Schließlich fasse ich die voneinander abhängigen Mechanismen (Komplementarität und Selektionseffekte, trophische Kopplung und Anpassung) zusammen, die den Beziehungen zwischen multi-facettierter Diversität, dem Funktionieren von Ökosystemen und der Umwelt zugrunde liegen, und erörtere die Möglichkeiten zur Verallgemeinerung meiner Ergebnisse über Ökosysteme hinweg sowie Perspektiven für die Ausarbeitung eines operativen Rahmens für der Biodiversität-Ökosystem- Funktionalität für Forscher und Anwender. KW - multifaceted diversity KW - multi-facettierter Diversität KW - perturbation KW - Störung KW - trait-based approaches KW - merkmalsbasierte Ansätze KW - food web models KW - Modelle der Nahrungsnetze KW - ecological stability KW - ökologische Stabilität KW - trait adaptation KW - Anpassung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646925 ER - TY - THES A1 - Lagodzinski, Julius Albert Gregor T1 - Counting homomorphisms over fields of prime order T1 - Zählen von Homomorphismen über Körper mit Primzahlordnung N2 - Homomorphisms are a fundamental concept in mathematics expressing the similarity of structures. They provide a framework that captures many of the central problems of computer science with close ties to various other fields of science. Thus, many studies over the last four decades have been devoted to the algorithmic complexity of homomorphism problems. Despite their generality, it has been found that non-uniform homomorphism problems, where the target structure is fixed, frequently feature complexity dichotomies. Exploring the limits of these dichotomies represents the common goal of this line of research. We investigate the problem of counting homomorphisms to a fixed structure over a finite field of prime order and its algorithmic complexity. Our emphasis is on graph homomorphisms and the resulting problem #_{p}Hom[H] for a graph H and a prime p. The main research question is how counting over a finite field of prime order affects the complexity. In the first part of this thesis, we tackle the research question in its generality and develop a framework for studying the complexity of counting problems based on category theory. In the absence of problem-specific details, results in the language of category theory provide a clear picture of the properties needed and highlight common ground between different branches of science. The proposed problem #Mor^{C}[B] of counting the number of morphisms to a fixed object B of C is abstract in nature and encompasses important problems like constraint satisfaction problems, which serve as a leading example for all our results. We find explanations and generalizations for a plethora of results in counting complexity. Our main technical result is that specific matrices of morphism counts are non-singular. The strength of this result lies in its algebraic nature. First, our proofs rely on carefully constructed systems of linear equations, which we know to be uniquely solvable. Second, by exchanging the field that the matrix is defined by to a finite field of order p, we obtain analogous results for modular counting. For the latter, cancellations are implied by automorphisms of order p, but intriguingly we find that these present the only obstacle to translating our results from exact counting to modular counting. If we restrict our attention to reduced objects without automorphisms of order p, we obtain results analogue to those for exact counting. This is underscored by a confluent reduction that allows this restriction by constructing a reduced object for any given object. We emphasize the strength of the categorial perspective by applying the duality principle, which yields immediate consequences for the dual problem of counting the number of morphisms from a fixed object. In the second part of this thesis, we focus on graphs and the problem #_{p}Hom[H]. We conjecture that automorphisms of order p capture all possible cancellations and that, for a reduced graph H, the problem #_{p}Hom[H] features the complexity dichotomy analogue to the one given for exact counting by Dyer and Greenhill. This serves as a generalization of the conjecture by Faben and Jerrum for the modulus 2. The criterion for tractability is that H is a collection of complete bipartite and reflexive complete graphs. From the findings of part one, we show that the conjectured dichotomy implies dichotomies for all quantum homomorphism problems, in particular counting vertex surjective homomorphisms and compactions modulo p. Since the tractable cases in the dichotomy are solved by trivial computations, the study of the intractable cases remains. As an initial problem in a series of reductions capable of implying hardness, we employ the problem of counting weighted independent sets in a bipartite graph modulo prime p. A dichotomy for this problem is shown, stating that the trivial cases occurring when a weight is congruent modulo p to 0 are the only tractable cases. We reduce the possible structure of H to the bipartite case by a reduction to the restricted homomorphism problem #_{p}Hom^{bip}[H] of counting modulo p the number of homomorphisms between bipartite graphs that maintain a given order of bipartition. This reduction does not have an impact on the accessibility of the technical results, thanks to the generality of the findings of part one. In order to prove the conjecture, it suffices to show that for a connected bipartite graph that is not complete, #_{p}Hom^{bip}[H] is #_{p}P-hard. Through a rigorous structural study of bipartite graphs, we establish this result for the rich class of bipartite graphs that are (K_{3,3}\{e}, domino)-free. This overcomes in particular the substantial hurdle imposed by squares, which leads us to explore the global structure of H and prove the existence of explicit structures that imply hardness. N2 - Homomorphismen sind ein grundlegendes Konzept der Mathematik, das die Ähnlichkeit von Strukturen ausdrückt. Sie bieten einen Rahmen, der viele der zentralen Probleme der Informatik umfasst und enge Verbindungen zu verschiedenen Wissenschaftsbereichen aufweist. Aus diesem Grund haben sich in den letzten vier Jahrzehnten viele Studien mit der algorithmischen Komplexität von Homomorphismusproblemen beschäftigt. Trotz ihrer Allgemeingültigkeit wurden Komplexitätsdichotomien häufig für nicht-uniforme Homomorphismusprobleme nachgewiesen, bei denen die Zielstruktur fixiert ist. Die Grenzen dieser Dichotomien zu erforschen, ist das gemeinsame Ziel dieses Forschungskalküls. Wir untersuchen das Problem und seine algorithmische Komplexität, Homomorphismen zu einer festen Struktur über einem endlichen Körper mit Primzahlordnung zu zählen. Wir konzentrieren uns auf Graphenhomomorphismen und das daraus resultierende Problem #_{p}Hom[H] für einen Graphen H und eine Primzahl p. Die Hauptforschungsfrage ist, wie das Zählen über einem endlichen Körper mit Primzahlordnung die Komplexität beeinflusst. Im ersten Teil wird die Forschungsfrage in ihrer Allgemeinheit behandelt und ein Rahmen für die Untersuchung der Komplexität von Zählproblemen auf der Grundlage der Kategorientheorie entwickelt. Losgelöst von problemspezifischen Details liefern die Ergebnisse in der Sprache der Kategorientheorie ein klares Bild der benötigten Eigenschaften und zeigen Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Wissenschaftsgebieten auf. Das vorgeschlagene Problem #Mor^{C}[B] des Zählens der Anzahl von Morphismen zu einem festen Objekt B von C ist abstrakter Natur und umfasst wichtige Probleme wie Constraint Satisfaction Problems, die als leitendes Beispiel für alle unsere Ergebnisse dienen. Wir finden Erklärungen und Verallgemeinerungen für eine Vielzahl von Ergebnissen in der Komplexitätstheorie von Zählproblemen. Unser wichtigstes technisches Ergebnis ist, dass bestimmte Matrizen von Morphismenzahlen nicht singulär sind. Die Stärke dieses Ergebnisses liegt in seiner algebraischen Natur. Erstens basieren unsere Beweise auf sorgfältig konstruierten linearen Gleichungssystemen, von denen wir wissen, dass sie eindeutig lösbar sind. Zweitens, indem wir den Körper, über dem die Matrix definiert ist, durch einen endlichen Körper der Ordnung p ersetzen, erhalten wir analoge Ergebnisse für das modulare Zählen. Für letztere sind Annullierungen durch Automorphismen der Ordnung p impliziert, aber faszinierenderweise stellen diese das einzige Hindernis für die Übertragung unserer Ergebnisse von der exakten auf die modulare Zählung dar. Wenn wir unsere Aufmerksamkeit auf reduzierte Objekte ohne Automorphismen der Ordnung p beschränken, erhalten wir Ergebnisse, die zu denen des exakten Zählens analog sind. Dies wird durch eine konfluente Reduktion unterstrichen, die für jedes beliebige Objekt ein reduziertes Objekt konstruiert. Wir heben die Stärke der kategorialen Perspektive durch die Anwendung des Dualitätsprinzips hervor, das direkte Konsequenzen für das duale Problem des Zählens der Anzahl der Morphismen von einem fixen Objekts aus liefert. Im zweiten Teil konzentrieren wir uns auf Graphen und das Problem #_{p}Hom[H]. Wir stellen die Vermutung auf, dass Automorphismen der Ordnung p alle möglichen Annullierungen erklären und dass das Problem #_{p}Hom[H] für einen reduzierten Graphen H eine Komplexitätsdichotomie analog zu der aufweist, die von Dyer und Greenhill für das exakte Zählen bewiesen wurde. Dies stellt eine Verallgemeinerung der Vermutung von Faben und Jerrum für den Modulus 2 dar. Das Kriterium für die effiziente Lösbarkeit ist, dass H lediglich aus vollständigen bipartiten und reflexiven vollständigen Graphen besteht. Basierend auf den Ergebnisse des ersten Teils zeigen wir, dass die Vermutung Dichotomien für alle Quantenhomomorphismenprobleme impliziert, insbesondere für das Zählen modulo p von Homomorphismen surjektiv auf Knoten und von Verdichtungen. Da die effizient lösbaren Fälle in der Dichotomie durch triviale Berechnungen gelöst werden, bleibt es, die unlösbaren Fälle zu untersuchen. Als erstes Problem in einer Reihe von Reduktionen, deren Ziel es ist, Härte zu implizieren, verwenden wir das Problem des Zählens gewichteter unabhängiger Mengen in einem bipartiten Graphen modulo p. Für dieses Problem beweisen wir eine Dichotomie, die besagt, dass nur die trivialen Fälle effizient lösbar sind. Diese treten auf, wenn ein Gewicht kongruent modulo p zu 0 ist. Durch eine Reduktion auf das eingeschränkte Homomorphismusproblem #_{p}Hom^{bip}[H] reduzieren wir die mögliche Struktur von H auf den bipartiten Fall. Hierbei handelt es sich um das Problem des Zählens modulo p der Homomorphismen zwischen bipartiten Graphen, die eine gegebene Ordnung der Bipartition erhalten. Dank der Allgemeingültigkeit der Ergebnisse des ersten Teils hat diese Reduktion keinen Einfluss auf die Verfügbarkeit der technischen Ergebnisse. Für einen Beweis der Vermutung genügt es zu zeigen, dass #_{p}Hom^{bip}[H] für einen zusammenhängenden und nicht vollständigen bipartiten Graphen #_{p}P-schwer ist. Durch eine rigorose Untersuchung der Struktur von bipartiten Graphen beweisen wir dieses Ergebnis für die umfangreiche Klasse von bipartiten Graphen, die (K_{3,3}\{e}, domino)-frei sind. Dies überwindet insbesondere die substantielle Hürde, die durch Quadrate gegeben ist und uns dazu veranlasst, die globale Struktur von H zu untersuchen und die Existenz expliziter Strukturen zu beweisen, die Härte implizieren. KW - complexity theory KW - (modular) counting KW - relational structures KW - categories KW - homomorphisms KW - Zählen KW - Kategorien KW - Komplexitätstheorie KW - Homomorphismen KW - relationale Strukturen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646037 ER - TY - THES A1 - Felisatti, Arianna T1 - Spatial-numerical associations: From biological foundations to embodied learning to contextual flexibility T1 - Räumlich-numerische Assoziationen: Von den biologischen Grundlagen über das verkörperte Lernen bis zur kontextuellen Flexibilität N2 - Among the different meanings carried by numerical information, cardinality is fundamental for survival and for the development of basic as well as of higher numerical skills. Importantly, the human brain inherits from evolution a predisposition to map cardinality onto space, as revealed by the presence of spatial-numerical associations (SNAs) in humans and animals. Here, the mapping of cardinal information onto physical space is addressed as a hallmark signature characterizing numerical cognition. According to traditional approaches, cognition is defined as complex forms of internal information processing, taking place in the brain (cognitive processor). On the contrary, embodied cognition approaches define cognition as functionally linked to perception and action, in the continuous interaction between a biological body and its physical and sociocultural environment. Embracing the principles of the embodied cognition perspective, I conducted four novel studies designed to unveil how SNAs originate, develop, and adapt, depending on characteristics of the organism, the context, and their interaction. I structured my doctoral thesis in three levels. At the grounded level (Study 1), I unfold the biological foundations underlying the tendency to map cardinal information across space; at the embodied level (Study 2), I reveal the impact of atypical motor development on the construction of SNAs; at the situated level (Study 3), I document the joint influence of visuospatial attention and task properties on SNAs. Furthermore, I experimentally investigate the presence of associations between physical and numerical distance, another numerical property fundamental for the development of efficient mathematical minds (Study 4). In Study 1, I present the Brain’s Asymmetric Frequency Tuning hypothesis that relies on hemispheric asymmetries for processing spatial frequencies, a low-level visual feature that the (in)vertebrate brain extracts from any visual scene to create a coherent percept of the world. Computational analyses of the power spectra of the original stimuli used to document the presence of SNAs in human newborns and animals, support the brain’s asymmetric frequency tuning as a theoretical account and as an evolutionarily inherited mechanism scaffolding the universal and innate tendency to represent cardinality across horizontal space. In Study 2, I explore SNAs in children with rare genetic neuromuscular diseases: spinal muscular atrophy (SMA) and Duchenne muscular dystrophy (DMD). SMA children never accomplish independent motoric exploration of their environment; in contrast, DMD children do explore but later lose this ability. The different SNAs reported by the two groups support the critical role of early sensorimotor experiences in the spatial representation of cardinality. In Study 3, I directly compare the effects of overt attentional orientation during explicit and implicit processing of numerical magnitude. First, the different effects of attentional orienting based on the type of assessment support different mechanisms underlying SNAs during explicit and implicit assessment of numerical magnitude. Secondly, the impact of vertical shifts of attention on the processing of numerical distance sheds light on the correspondence between numerical distance and peri-personal distance. In Study 4, I document the presence of different SNAs, driven by numerical magnitude and numerical distance, by employing different response mappings (left vs. right and near vs. distant). In the field of numerical cognition, the four studies included in the present thesis contribute to unveiling how the characteristics of the organism and the environment influence the emergence, the development, and the flexibility of our attitude to represent cardinal information across space, thus supporting the predictions of the embodied cognition approach. Furthermore, they inform a taxonomy of body-centred factors (biological properties of the brain and sensorimotor system) modulating the spatial representation of cardinality throughout the course of life, at the grounded, embodied, and situated levels. If the awareness for different variables influencing SNAs over the course of life is important, it is equally important to consider the organism as a whole in its sensorimotor interaction with the world. Inspired by my doctoral research, here I propose a holistic perspective that considers the role of evolution, embodiment, and environment in the association of cardinal information with directional space. The new perspective advances the current approaches to SNAs, both at the conceptual and at the methodological levels. Unveiling how the mental representation of cardinality emerges, develops, and adapts is necessary to shape efficient mathematical minds and achieve economic productivity, technological progress, and a higher quality of life. N2 - Unter den verschiedenen Bedeutungsaspekten numerischer Informationen ist die Kardinalität fundamental für das Überleben und die Entwicklung grundlegender sowie fortgeschrittener numerischer Fähigkeiten. Ein wichtiger Aspekt ist, dass das menschliche Gehirn evolutionär die Prädisposition besitzt, Kardinalität auf den Raum abzubilden, wie das Vorhandensein von räumlich-numerischen Assoziationen [engl. spatial-numerical associations, SNA] bei Menschen und Tieren zeigt. Hier wird die Abbildung kardinaler Informationen auf den physischen Raum als charakteristisches Merkmal der numerischen Kognition untersucht. Nach traditionellen Ansätzen wird Kognition als eine komplexe Form der internen Informationsverarbeitung definiert, die im Gehirn stattfindet (kognitiver Prozessor). Im Gegensatz dazu betrachten Ansätze der verkörperten Kognition (Embodied Cognition) Kognition als funktionell mit Wahrnehmung und Handlung verbunden, eingebettet in die kontinuierliche Interaktion zwischen einem biologischen Körper und seiner physischen sowie soziokulturellen Umgebung. In Anlehnung an die Prinzipien der Embodied-Cognition-Perspektive habe ich vier innovative Studien durchgeführt, um herauszufinden, wie SNA in Abhängigkeit von den Merkmalen des Organismus, des Kontexts und ihrer Interaktion entstehen, sich entwickeln und anpassen. Meine Doktorarbeit ist auf drei Ebenen strukturiert. Auf der geerdeten („grounded“) Ebene (Studie 1) zeige ich die biologischen Grundlagen auf, die der Tendenz zugrunde liegen, kardinale Informationen über den Raum hinweg abzubilden; auf der verkörperten („embodied“) Ebene (Studie 2) zeige ich die Auswirkungen einer atypischen motorischen Entwicklung auf die Konstruktion von SNA; auf der situativen („situated“) Ebene (Studie 3) dokumentiere ich den gemeinsamen Einfluss von visuell-räumlicher Aufmerksamkeit und von Aufgabeneigenschaften auf SNA. Darüber hinaus untersuche ich experimentell das Vorliegen von Assoziationen zwischen physischer und numerischer Distanz, einer weiteren numerischen Eigenschaft, die für die Entwicklung eines effizienten mathematischen Verstandes grundlegend ist (Studie 4). In Studie 1 stelle ich die Hypothese der asymmetrischen Frequenzabstimmung des Gehirns vor, die sich auf hemisphärische Asymmetrien bei der Verarbeitung räumlicher Frequenzen stützt. Diese räumlichen Frequenzen sind ein visuelles Merkmal auf niedriger Verarbeitungsebene, das das Gehirn von (Nicht-)Wirbeltieren aus jeder visuellen Szene extrahiert, um eine kohärente Wahrnehmung der Welt zu gewährleisten. Computergestützte Analysen der Leistungsspektren der ursprünglichen Stimuli, die verwendet wurden, um die Existenz von SNA bei menschlichen Neugeborenen und Tieren zu dokumentieren, unterstützen die asymmetrische Frequenzabstimmung des Gehirns als theoretische Erklärung. Dieser evolutionär vererbte Mechanismus könnte die universelle und angeborene Tendenz zur Darstellung von Kardinalität im horizontalen Raum erklären. In Studie 2 untersuche ich SNA bei Kindern mit seltenen genetisch bedingten neuromuskulären Krankheiten, nämlich Spinaler Muskelatrophie (SMA) und Duchenne-Muskeldystrophie (DMD). Kinder mit SMA sind nicht in der Lage, ihre Umwelt selbstständig motorisch zu erkunden, während Kinder mit DMD diese Fähigkeit anfangs besitzen, sie aber im Laufe der Zeit verlieren. Die unterschiedlichen SNA, die von den beiden Gruppen berichtet werden, belegen die entscheidende Rolle früher sensomotorischer Erfahrungen für die räumliche Repräsentation von Kardinalität. In Studie 3 vergleiche ich direkt die Auswirkungen der offenen Aufmerksamkeitsorientierung während der expliziten und impliziten Verarbeitung numerischer Größenordnungen. Erstens zeigen die unterschiedlichen Auswirkungen der Aufmerksamkeitsorientierung je nach Art der Bewertung unterschiedliche Mechanismen auf, die den SNA bei der expliziten und impliziten Beurteilung numerischer Größen zugrunde liegen. Zweitens deutet die Wirkung der vertikalen Aufmerksamkeitsverschiebung auf die Verarbeitung numerischer Distanzen auf eine Korrelation zwischen numerischer Distanz und peripersonaler Distanz hin. In Studie 4 belege ich das Vorliegen unterschiedlicher SNA, die durch numerische Größe und numerische Distanz gesteuert werden, mittels verschiedener Antwortzuordnungen (links vs. rechts und nah vs. fern). Die vier Studien dieser Arbeit auf dem Gebiet der numerischen Kognition zeigen, wie die Eigenschaften des Organismus und der Umwelt die Entstehung, Entwicklung und Flexibilität der Fähigkeit beeinflussen, kardinale Informationen über den Raum hinweg zu repräsentieren, und unterstützen damit die Vorhersagen des Ansatzes der verkörperten Kognition. Darüber hinaus liefern sie Einblicke in eine Taxonomie körperbezogener Faktoren, darunter biologische Merkmale des Gehirns und des sensomotorischen Systems, die die räumliche Repräsentation von Kardinalität im Laufe des Lebens auf den „grounded“, „embodied“ und „situated“ Ebenen modulieren. Die Kenntnis der verschiedenen Variablen, die die SNA im Laufe des Lebens beeinflussen, ist ebenso wichtig wie die Betrachtung des Organismus als Ganzes in seiner sensomotorischen Interaktion mit der Welt. Inspiriert von meiner Doktorarbeit schlage ich hier eine ganzheitliche Perspektive vor, die die Rolle der Evolution, der Verkörperung und der Umwelt bei unserer Assoziation von kardinalen Informationen mit Raum berücksichtigt. Diese neue Perspektive erweitert die derzeitigen Ansätze zu SNA sowohl auf konzeptioneller als auch auf methodologischer Ebene. Die Erforschung der Entstehung, Entwicklung und Anpassung der mentalen Repräsentation von Kardinalität ist entscheidend, um effiziente mathematische Fähigkeiten zu entwickeln sowie wirtschaftliche Produktivität, technologischen Fortschritt und eine verbesserte Lebensqualität zu fördern. KW - numerical cognition KW - spatial-numerical associations KW - SNARC effect KW - numerical distance effect KW - hemispheric asymmetry KW - child development KW - visuospatial attention KW - embodied cognition KW - grounded cognition KW - situated cognition KW - numerische Kognition KW - räumlich-numerische Assoziationen KW - SNARC-Effekt KW - numerischer Abstandseffekt KW - hemisphärische Asymmetrie KW - kindliche Entwicklung KW - visuell-räumliche Aufmerksamkeit KW - verkörperte Kognition KW - geerdete („grounded“) Kognition KW - situierte („situated“ Kognition Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-641791 ER - TY - THES A1 - Rasche, Daniel T1 - Cosmic-ray neutron sensing for the estimation of soil moisture T1 - Cosmic-Ray Neutron Sensing zur Messung der Bodenfeuchte BT - from the atmosphere to the near-surface and to larger depths N2 - Water stored in the unsaturated soil as soil moisture is a key component of the hydrological cycle influencing numerous hydrological processes including hydrometeorological extremes. Soil moisture influences flood generation processes and during droughts when precipitation is absent, it provides plant with transpirable water, thereby sustaining plant growth and survival in agriculture and natural ecosystems. Soil moisture stored in deeper soil layers e.g. below 100 cm is of particular importance for providing plant transpirable water during dry periods. Not being directly connected to the atmosphere and located outside soil layers with the highest root densities, water in these layers is less susceptible to be rapidly evaporated and transpired. Instead, it provides longer-term soil water storage increasing the drought tolerance of plants and ecosystems. Given the importance of soil moisture in the context of hydro-meteorological extremes in a warming climate, its monitoring is part of official national adaption strategies to a changing climate. Yet, soil moisture is highly variable in time and space which challenges its monitoring on spatio-temporal scales relevant for flood and drought risk modelling and forecasting. Introduced over a decade ago, Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) is a noninvasive geophysical method that allows for the estimation of soil moisture at relevant spatio-temporal scales of several hectares at a high, subdaily temporal resolution. CRNS relies on the detection of secondary neutrons above the soil surface which are produced from high-energy cosmic-ray particles in the atmosphere and the ground. Neutrons in a specific epithermal energy range are sensitive to the amount of hydrogen present in the surroundings of the CRNS neutron detector. Due to same mass as the hydrogen nucleus, neutrons lose kinetic energy upon collision and are subsequently absorbed when reaching low, thermal energies. A higher amount of hydrogen therefore leads to fewer neutrons being detected per unit time. Assuming that the largest amount of hydrogen is stored in most terrestrial ecosystems as soil moisture, changes of soil moisture can be estimated through an inverse relationship with observed neutron intensities. Although important scientific advancements have been made to improve the methodological framework of CRNS, several open challenges remain, of which some are addressed in the scope of this thesis. These include the influence of atmospheric variables such as air pressure and absolute air humidity, as well as, the impact of variations in incoming primary cosmic-ray intensity on observed epithermal and thermal neutron signals and their correction. Recently introduced advanced neutron-to-soil moisture transfer functions are expected to improve CRNS-derived soil moisture estimates, but potential improvements need to be investigated at study sites with differing environmental conditions. Sites with strongly heterogeneous, patchy soil moisture distributions challenge existing transfer functions and further research is required to assess the impact of, and correction of derived soil moisture estimates under heterogeneous site conditions. Despite its capability of measuring representative averages of soil moisture at the field scale, CRNS lacks an integration depth below the first few decimetres of the soil. Given the importance of soil moisture also in deeper soil layers, increasing the observational window of CRNS through modelling approaches or in situ measurements is of high importance for hydrological monitoring applications. By addressing these challenges, this thesis aids to closing knowledge gaps and finding answers to some of the open questions in CRNS research. Influences of different environmental variables are quantified, correction approaches are being tested and developed. Neutron-to-soil moisture transfer functions are evaluated and approaches to reduce effects of heterogeneous soil moisture distributions are presented. Lastly, soil moisture estimates from larger soil depths are derived from CRNS through modified, simple modelling approaches and in situ estimates by using CRNS as a downhole technique. Thereby, this thesis does not only illustrate the potential of new, yet undiscovered applications of CRNS in future but also opens a new field of CRNS research. Consequently, this thesis advances the methodological framework of CRNS for above-ground and downhole applications. Although the necessity of further research in order to fully exploit the potential of CRNS needs to be emphasised, this thesis contributes to current hydrological research and not least to advancing hydrological monitoring approaches being of utmost importance in context of intensifying hydro-meteorological extremes in a changing climate. N2 - Wasser, das als Bodenfeuchte in der ungesättigten Bodenzone gespeichert ist, beeinflusst zahlreiche hydrologische Prozesse. Sie ist von großer Bedeutung für hydrometeorologische Extremereignisse, da sie sowohl die Prozesse zur Entstehung von Hochwassereignissen beeinflusst als auch pflanzenverfügbares Wasser in Dürreperioden bereitstellt, in denen Regen ausbleibt. Vor allem Bodenfeuchte in tieferen Schichten des Bodens wird zum Beispiel durch die geringere Dichte an Pflanzenwurzeln langsamer aufgenommen und reduziert. Die Bodenfeuchte in diesen tieferen Schichten kann daher vor allem in Trockenperioden zum Überleben der Pflanzen in landwirtschaftlichen Gebieten und natürlichen Ökosystemen beitragen. Im Kontext hydro-meteorologischer Extremereignisse kommt der Bodenfeuchte so eine besondere Bedeutung zu und ist daher Teil nationaler Monitoring- und Anpassungsstrategien an sich verändernde Klimabedingungen. Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist ein geophysikalisches Messverfahren, das natürlich vorkommende Neutronen aus kosmischer Strahlung zur Bodenfeuchtebestimmung nutzt. Die Intensität der über dem Boden gemessenen Neutronen ist dabei abhängig von der Menge anWasserstoff in der Umgebung des Neutronendetektors. Da in den meisten Bereichen an Land die Bodenfeuchte den größten Teil des Wasserstoffs ausmacht, lassen Veränderungen in der gemessenen Neutronenintensität auf veränderte Bodenfeuchtebedingungen schließen. Ein Vorteil dieser nichtinvasiven Methode ist ihr großer Messbereich von mehreren Hektar. Die, selbst über kurze Distanzen und Zeiträume auftretenden, Unterschiede werden somit repräsentativ gemittelt und gemessene Bodenfeuchtewerte können so besser für Vorhersagemodelle von Hochwasser- und Dürreereignissen genutzt werden. Trotz des Potentials von CRNS für das Monitoring von Bodenfeuchte bleiben zahlreiche offene Forschungsfragen, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden. Hierzu zählt die Bestimmung und Korrektur von Einflussgrößen, die das Neutronensignal zusätzlich zur Bodenfeuchte beeinflussen. Ebenso gehört die Ableitung von Bodenfeuchte aus dem Neutronensignal selbst sowie der Umgang mit stark unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen im Messbereich dazu. Obwohl CRNS einen großen horizontalen Messbereich besitzt, ist die Messtiefe auf die oberen ca. 30 cm des Bodens begrenzt. Hierzu werden Ansätze untersucht, die Bodenfeuchte mathematisch in größere Tiefen zu extrapolieren und sie direkt dort zu messen, indem Neutronendetektoren in Bohrlöchern installiert werden. Mit der Betrachtung der Forschungsfragen kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von CRNS und der Anwendbarkeit der Methode z.B. im Rahmen nationaler Monitoring-Programme leisten, denen im Kontext zunehmend intensiverer hydro-meteorologischer Extremereignisse eine besondere Bedeutung zukommt. KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil moisture KW - Cosmic-Ray Neutron Sensing KW - Bodenfeuchte KW - soil hydrology KW - geophysics KW - Bodenhydrologie KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636465 ER - TY - THES A1 - Dronsella, Beau B. T1 - Overcoming natural biomass limitations in gram-negative bacteria through synthetic carbon fixation T1 - Überwindung natürlicher Biomasselimitationen in gramnegativen Bakterien mittels synthetischer Kohlenstofffixierung N2 - The carbon demands of an ever-increasing human population and the concomitant rise in net carbon emissions requires CO2 sequestering approaches for production of carbon-containing molecules. Microbial production of carbon-containing products from plant-based sugars could replace current fossil-based production. However, this form of sugar-based microbial production directly competes with human food supply and natural ecosystems. Instead, one-carbon feedstocks derived from CO2 and renewable energy were proposed as an alternative. The one carbon molecule formate is a stable, readily soluble and safe-to-store energetic mediator that can be electrochemically generated from CO2 and (excess off-peak) renewable electricity. Formate-based microbial production could represent a promising approach for a circular carbon economy. However, easy-to-engineer and efficient formate-utilizing microbes are lacking. Multiple synthetic metabolic pathways were designed for better-than-nature carbon fixation. Among them, the reductive glycine pathway was proposed as the most efficient pathway for aerobic formate assimilation. While some of these pathways have been successfully engineered in microbial hosts, these synthetic strains did so far not exceed the performance of natural strains. In this work, I engineered and optimized two different synthetic formate assimilation pathways in gram-negative bacteria to exceed the limits of a natural carbon fixation pathway, the Calvin cycle. The first chapter solidified Cupriavidus necator as a promising formatotrophic host to produce value-added chemicals. The formate tolerance of C. necator was assessed and a production pathway for crotonate established in a modularized fashion. Last, bioprocess optimization was leveraged to produce crotonate from formate at a titer of 148 mg/L. In the second chapter, I chromosomally integrated and optimized the synthetic reductive glycine pathway in C. necator using a transposon-mediated selection approach. The insertion methodology allowed selection for condition-specific tailored pathway expression as improved pathway performance led to better growth. I then showed my engineered strains to exceed the biomass yields of the Calvin cycle utilizing wildtype C. necator on formate. This demonstrated for the first time the superiority of a synthetic formate assimilation pathway and by extension of synthetic carbon fixation efforts as a whole. In chapter 3, I engineered a segment of a synthetic carbon fixation cycle in Escherichia coli. The GED cycle was proposed as a Calvin cycle alternative that does not perform a wasteful oxygenation reaction and is more energy efficient. The pathways simple architecture and reasonable driving force made it a promising candidate for enhanced carbon fixation. I created a deletion strain that coupled growth to carboxylation via the GED pathway segment. The CO2 dependence of the engineered strain and 13C-tracer analysis confirmed operation of the pathway in vivo. In the final chapter, I present my efforts of implementing the GED cycle also in C. necator, which might be a better-suited host, as it is accustomed to formatotrophic and hydrogenotrophic growth. To provide the carboxylation substrate in vivo, I engineered C. necator to utilize xylose as carbon source and created a selection strain for carboxylase activity. I verify activity of the key enzyme, the carboxylase, in the decarboxylative direction. Although CO2-dependent growth of the strain was not obtained, I showed that all enzymes required for operation of the GED cycle are active in vivo in C. necator. I then evaluate my success with engineering a linear and cyclical one-carbon fixation pathway in two different microbial hosts. The linear reductive glycine pathway presents itself as a much simpler metabolic solution for formate dependent growth over the sophisticated establishment of hard-to-balance carbon fixation cycles. Last, I highlight advantages and disadvantages of C. necator as an upcoming microbial benchmark organism for synthetic metabolism efforts and give and outlook on its potential for the future of C1-based manufacturing. N2 - Der Rohstoffbedarf einer ständig wachsenden menschlichen Bevölkerung und der damit einhergehende Anstieg der Kohlenstoffemissionen erfordert Konzepte zur CO2-Bindung für die Produktion von kohlenstoffhaltigen Molekülen. Hier bietet die mikrobielle Produktion von Chemikalien eine nachhaltige Alternative zu den bisher etablierten Syntheseprozessen. Da die Nutzung von pflanzlich hergestelltem Zucker durch die entsprechenden Mikroben allerdings in direkter Konkurrenz zur menschlichen Nahrungsmittelversorgung steht, soll aus CO2 und erneuerbarer Energie synthetisiertes Formiat (Ameisensäure) als alternativer Nährstoff nutzbar gemacht werden. Formiat fungiert als ein stabiler, leicht löslicher und sicher zu lagernder Energiespeicher, der als Ausgangsstoff mikrobieller Produktionen einen vielversprechenden Ansatz für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft eröffnet. Dieses Potenzial wurde bisher nicht realisiert, da es an einfach zu modifizierenden Mikroben, die Formiat effizient nutzen, mangelt. Zwecks mikrobieller Formiatnutzung wurden deshalb synthetische Stoffwechselwege entwickelt, die die Ein-Kohlenstoff Quelle deutlich effizienter als natürliche Alternativen in den Metabolismus einbringen. Die effizienteste Variante für die aerobe Formiat-Assimilation ist hierbei der reduktive Glycin-Stoffwechselweg. Während Letzterer zwar bereits erfolgreich in Mikroben eingebracht wurde, übertraf die Leistung dieser synthetischen Stämme trotz der theoretisch höheren Stoffwechseleffizienz nicht die des natürlichen Stoffwechsels. In dieser Arbeit entwickelte und optimierte ich zwei verschiedene synthetische Ein-Kohlenstoff-Fixierungswege in gramnegativen Bakterien, um die Grenzen der natürlichen CO2 Nutzung zu überschreiten. Das erste Kapitel untersuchte das Potenzial von Cupriavidus necator als vielversprechenden formatotrophen Wirt für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert. Die Ameisensäuretoleranz von C. necator wurde getestet und ein Produktionsweg für Crotonat in einer modularen Weise etabliert. Schließlich wurde Bioprozessoptimierung genutzt, um Crotonat aus Formiat mit einem Titer von 148 mg/L zu produzieren. Im zweiten Kapitel integrierte ich den synthetischen reduktiven Glycinweg anstelle der nativen Formiatassimilierung chromosomal in C. necator und optimierte die Expressionsniveaus der beteiligten Enzyme und somit Wachstum des Stammes mit Hilfe eines transposonbasierten Selektionsansatzes. Die Kombination von randomisierter Insertionsmethodik und erzwungener Nutzung des Stoffwechselwegs für Wachstum auf Formiat ermöglichte hier die Selektion für bedingungsspezifisch optimale Expression des Stoffwechselweges, da eine höhere Operationsrate des Stoffwechselweges zu verbessertem Wachstum führte. Anschließend zeigte ich, dass meine optimierten synthetischen Stämme die Biomasseerträge des Calvin-Zyklus von C. necator auf Formiat übertrafen. Dies zeigte zum ersten Mal die bisher nur theoretisch prognostizierte Überlegenheit eines synthetischen Formiat-Assimilationsweges und damit der synthetischen Kohlenstofffixierung gegenüber natürlicher Kohlenstofffixierung. In Kapitel 3 entwickelte ich ein Segment des GED-Zyklus zur synthetischen CO2-Fixierung in Escherichia coli. Der GED-Zyklus ist eine Alternative zum Calvin-Zyklus, die im Gegensatz zu Letzterem keine ungewollte Aktivität mit Sauerstoff hat und somit energieeffizienter CO2 fixiert. Die einfache Architektur des Kreislaufs mit nur einer kritischen Reaktion macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für verbesserte Kohlenstofffixierung. Ich erzeugte einen Deletionsstamm, dessen Wachstum an besagte Reaktion, genauer die Carboxylierung mittels des GED-Segments, gekoppelt war. Die Fähigkeit des Stammes, CO2-abhängig zu wachsen, und die 13C-Tracer-Analyse bestätigten die Funktionalität des Weges in vivo. Im letzten Kapitel versuchte ich den GED-Zyklus auch in C. necator zu implementieren, da C. necator durch sein formatotrophes Wachstum potenziell ein vielversprechenderer Wirt sein könnte. Hierbei war das Wachstum des Calvin-Zyklus abhängigen Wildtyps, wie auch für den reduktiven Glycin-Weg, ein guter Referenzwert für den Vergleich mit den synthetischen Stämmen. Ich veränderte C. necator genetisch, sodass es das GED Substrat Xylose nutzt und zeigte, dass alle Enzyme für den Betrieb des Kohlenstofffixierungsweges in separierten Testeinheiten in vivo in C. necator funktional sind. Schließlich vergleiche ich meine Ergebnisse bezüglich der Entwicklung von linearer und zyklischer Ein-Kohlenstoff-Fixierung in zwei verschiedenen mikrobiellen Wirten. Es zeigt sich, dass der simplere lineare reduktive Glycinweg synthetische Formatotrophie von bisher unerschlossener Effizienz erlaubt, während sich die Realisierung komplexer autokatalytischer Kohlenstofffixierungszyklen als deutlich schwieriger erweist. Ich hebe die Vor- und Nachteile von C. necator als zukünftigem Plattformorganismus für synthetische Stoffwechselprozesse hervor und gebe einen Ausblick auf sein Potenzial für die Zukunft der C1-basierten Produktion. KW - synthetic biology KW - metabolic engineering KW - synthetic metabolism KW - carbon fixation KW - C1 assimilation KW - formate KW - reductive glycine pathway KW - GED cycle KW - cupriavidus necator KW - Ralstonia eutropha KW - H16 KW - Alcaligenes eutrophus KW - Wautersia eutropha KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Escherichia coli KW - bio-economy KW - Calvin cycle KW - Alcaligenes eutrophus KW - C1-Assimilation KW - Calvinzyklus KW - Escherichia coli KW - GED-Zyklus KW - H16 KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Ralstonia eutropha KW - Wautersia eutropha KW - Bioökonomie KW - Kohlenstofffixerung KW - Cupriavidus necator KW - Formiat KW - metabolisches Modifizieren KW - reduktiver Glycinstoffwechselweg KW - synthetische Biologie KW - synthetischer Metabolismus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646273 ER - TY - THES A1 - Brembach, Theresa-Charlotte T1 - Regulators and effects of neutrophilic granulocytes in hidradenitis suppurativa Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Blanz, Alkis T1 - Essays on the macroeconomics of climate change and policy Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Ranaee, Mahdi T1 - Skepticism BT - Cartesian and Kantian N2 - This dissertation offers new and original readings of three major texts in the history of Western philosophy: Descartes’s “First Meditation,” Kant’s “Transcendental Deduction,” and his “Refutation of Idealism.” The book argues that each text addresses the problem of skepticism and posits that they have a hitherto underappreciated, organic relationship to one another. The dissertation begins with an analysis of Descartes’ “First Meditation,” which I argue offers two distinct and independent skeptical arguments that differ in both aim and scope. I call these arguments the “veil of ideas” argument and the “author of my origin” argument. My reading counters the standard interpretation of the text, which sees it as offering three stages of doubt, namely the occasional fallibility of the senses, the dream hypothesis, and the evil demon hypothesis. Building on this, the central argument of the dissertation is that Kant’s “Transcendental Deduction” actually transforms and radicalizes Descartes’s Author of My Origin argument, reconceiving its meaning within the framework of Kant’s own transcendental idealist philosophy. Finally, I argue that the Refutation of Idealism offers a similarly radicalized version of Descartes’s Veil of Ideas argument, albeit translated into the framework of transcendental idealism. N2 - Diese Dissertation bietet neue und originelle Lesarten von drei wichtigen Texten in der Geschichte der abendländischen Philosophie: Descartes‘ „Erste Meditation“, Kants „transzendentale Deduktion“ und seine „Widerlegung des Idealismus“. Die Arbeit argumentiert, dass jeder dieser Texte das Problem des Skeptizismus aufgreift, und schlägt vor, dass sie in einer bisher unterschätzten organischen Beziehung zueinander stehen. Die Dissertation beginnt mit einer Analyse von Descartes‘ „Erster Meditation“, die, wie ich behaupte, zwei verschiedene und unabhängige skeptische Argumente enthält, die sich in Ziel und Umfang unterscheiden. Ich nenne diese Argumente das Argument vom „Schleier der Ideen“ und das Argument vom „Urheber meines Ursprungs“. Meine Lesart widerspricht der Standardinterpretation des Textes, die drei Ebenen des Zweifels anbietet, nämlich die gelegentliche Fehlbarkeit der Sinne, die Traumhypothese und die Hypothese des bösen Dämons. Darauf aufbauend ist das zentrale Argument der Arbeit, dass Kants „Transzendentale Deduktion“ Descartes‘ „Urheber meines Ursprungs“-Argument transformiert und radikalisiert, indem sie dessen Bedeutung im Rahmen von Kants eigener transzendental-idealistischer Philosophie neu interpretiert. Schließlich argumentiere ich, dass die Widerlegung des Idealismus eine ähnlich radikalisierte Version von Descartes' Argument des Schleiers der Ideen bietet, wenn auch im Rahmen des transzendentalen Idealismus. KW - Descartes KW - Kant KW - skepticism KW - transcendental Deduction KW - refutation of idealism KW - Descartes KW - Kant KW - transzendentale Deduktion KW - Widerlegung des Idealismus KW - Skeptizismus Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-645652 ER - TY - THES A1 - Eckert, Konstantin Franz T1 - Vorleben, vorsterben, vorglauben? BT - Menschenführung in der Wehrmacht? T2 - Krieg und Konflikt N2 - Wie wurden die Soldaten der Wehrmacht – in der Kaserne und an der Front – von ihren Unteroffizieren und Offizieren behandelt? Wie war deren Menschenführung beeinflusst vom Nationalsozialismus und welche Bedeutung hatte sie für den Zusammenhalt des deutschen Heeres im Zweiten Weltkrieg? Konstantin Franz Eckert schließt, gestützt auf eine breite Quellenbasis, eine wichtige Forschungslücke. Seine Studie zeigt, wie junge Männer auf ihren Militärdienst vorbereitet wurden und was sie von ihren Vorgesetzten erwarteten. Sie weist nach, dass Vorbild und persönlicher Einsatz, Konstruktivität und absolute Unterordnung unter das Gehorsamsprinzip im Dienst des NS-Regimes zentrale Führungselemente der Wehrmacht waren. Zudem wirft sie einen Blick auf die militärische Ausbildung und ordnet die alten Narrative vom »Kasernenhofschleifer« sachlich ein. Y1 - 2024 SN - 978-3-593-51865-7 SN - 978-3-593-45704-8 SN - 978-3-593-45703-1 VL - 22 PB - Campus CY - Frankfurt am Main ER - TY - THES A1 - Blaser, Berenike Lisa T1 - Premenstrual symptoms as a function of altered central autonomous nervous activity T1 - Prämenstruelle Symptome als Funktion veränderter zentralautonomer Netzwerkaktivität BT - a neurovisceral integration perspective on premenstrual syndrome BT - eine neuroviszerale Integrations-Perspektive auf das Prämenstruelle Syndrom N2 - The experience of premenstrual syndrome (PMS) affects up to 90% of individuals with an active menstrual cycle and involves a spectrum of aversive physiological and psychological symptoms in the days leading up to menstruation (Tschudin et al., 2010). Despite its high prevalence, the precise origins of PMS remain elusive, with influences ranging from hormonal fluctuations to cognitive, social, and cultural factors (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013). Biologically, hormonal fluctuations, particularly in gonadal steroids, are commonly believed to be implicated in PMS, with the central factor being varying susceptibilities to the fluctuations between individuals and cycles (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolone (ALLO), a neuroactive steroid and progesterone metabolite, has emerged as a potential link to PMS symptoms (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO is a positive allosteric modulator of the GABAA receptor, influencing inhibitory communication (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Different susceptibility to ALLO fluctuations throughout the cycle may lead to reduced GABAergic signal transmission during the luteal phase of the menstrual cycle. The GABAergic system's broad influence leads to a number of affected physiological systems, including a consistent reduction in vagally mediated heart rate variability (vmHRV) during the luteal phase (Schmalenberger et al., 2019). This reduction in vmHRV is more pronounced in individuals with high PMS symptoms (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Fear conditioning studies have shown inconsistent associations with cycle phases, suggesting a complex interplay between physiological parameters and PMS-related symptoms (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006). The neurovisceral integration model posits that vmHRV reflects the capacity of the central autonomous network (CAN), which is responsible for regulatory processes on behavioral, cognitive, and autonomous levels (Thayer & Lane, 2000, 2009). Fear learning, mediated within the CAN, is suggested to be indicative of vmHRV's capacity for successful VI regulation (Battaglia & Thayer, 2022). Given the GABAergic mediation of central inhibitory functional connectivity in the CAN, which may be affected by ALLO fluctuations, this thesis proposes that fluctuating CAN activity in the luteal phase contributes to diverse aversive symptoms in PMS. A research program was designed to empirically test these propositions. Study 1 investigated fear discrimination during different menstrual cycle phases and its interaction with vmHRV, revealing nuanced effects on acoustic startle response and skin conductance response. While there was heightened fear discrimination in acoustic startle responses in participants in the luteal phase, there was an interaction between menstrual cycle phase and vmHRV in skin conductance responses. In this measure, heightened fear discrimination during the luteal phase was only visible in individuals with high resting vmHRV; those with low vmHRV showed reduced fear discrimination and higher overall responses. Despite affecting the vast majority of menstruating people, there are very limited tools available to reliably assess these symptoms in the German speaking area. Study 2 aimed at closing this gap, by translating and validating a German version of the short version of the Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), providing a reliable tool for future investigations, which closes the gap in PMS questionnaires in the German-speaking research area. Study 3 employed a diary study paradigm to explore daily associations between vmHRV and PMS symptoms. The results showed clear simultaneous fluctuations between the two constructs with a peak in PMS and a low point in vmHRV a few days before menstruation onset. The association between vmHRV and PMS was driven by psychological PMS symptoms. Based on the theoretical considerations regarding the neurovisceral perspective on PMS, another interesting construct to consider is attentional control, as it is closely related to functions of the CAN. Study 4 delved into attentional control and vmHRV differences between menstrual cycle phases, demonstrating an interaction between cycle phase and PMS symptoms. In a pilot, we found reduced vmHRV and attentional control during the luteal phase only in participants who reported strong PMS. While Studies 1-4 provided evidence for the mechanisms underlying PMS, Studies 5 and 6 investigated short- and long-term intervention protocols to ameliorate PMS symptomatology. Study 5 explored the potential of heart rate variability biofeedback (HRVB) in alleviating PMS symptoms and a number of other outcome measures. In a waitlist-control design, participants underwent a 4-week smartphone-based HRVB intervention. The results revealed positive effects on PMS, with larger effect sizes on psychological symptoms, as well as on depressive symptoms, anxiety/stress and attentional control. Finally, Study 6 examined the acute effects of HRVB on attentional control. The study found positive impact but only in highly stressed individuals. The thesis, based on this comprehensive research program, expands our understanding of PMS as an outcome of CAN fluctuations mediated by GABAA receptor reactivity. The results largely support the model. These findings not only deepen our understanding of PMS but also offer potential avenues for therapeutic interventions. The promising results of smartphone-based HRVB training suggest a non-pharmacological approach to managing PMS symptoms, although further research is needed to confirm its efficacy. In conclusion, this thesis illuminates the complex web of factors contributing to PMS, providing valuable insights into its etiological underpinnings and potential interventions. By elucidating the relationships between hormonal fluctuations, CAN activity, and psychological responses, this research contributes to more effective treatments for individuals grappling with the challenges of PMS. The findings hold promise for improving the quality of life for those affected by this prevalent and often debilitating condition. N2 - Das prämenstruelle Syndrom (PMS) betrifft bis zu 90% aller Personen mit einem aktiven Menstruationszyklus und umfasst ein Spektrum aversiver physiologischer und psychologischer Symptome in den Tagen vor der Menstruation (Tschudin et al., 2010). Trotz der hohen Prävalenz bleiben die genauen Ursachen von PMS weitgehend unklar, wobei Einflüsse von hormonellen Schwankungen bis hin zu kognitiven, sozialen und kulturellen Faktoren reichen (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013). Von einer biologischen Perspektive werden hormonelle Schwankungen insbesondere in den Geschlechtshormonen häufig mit PMS in Verbindung gebracht. Dabei gelten individuelle und zyklusabhängige Anfälligkeiten gegenüber der hormonellen Schwankungen als zentraler Faktor (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolon (ALLO), ein neuroaktives Steroid und ein Progesteronmetabolit, hat sich als potenzielle Verbindung zu PMS-Symptomen herausgestellt (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO ist ein positiver allosterischer Modulator des GABAA-Rezeptors, der die inhibitorische Kommunikation beeinflusst (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Eine unterschiedliche Anfälligkeit für ALLO-Schwankungen im Verlauf des Menstruationszyklus kann zu einer verminderten GABAergen Signalübertragung während der Lutealphase führen. Der breite Einfluss des GABAergen Systems führt zu einer Vielzahl von betroffenen physiologischen Systemen, einschließlich einer konstanten Reduktion der vagal vermittelten Herzfrequenzvariabilität (vmHRV) während der Lutealphase (Schmalenberger et al., 2019). Diese Reduktion der vmHRV ist bei Personen mit starken PMS-Symptomen stärker ausgeprägt (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Studien zur Furchtkonditionierung haben inkonsistente Assoziationen mit den Zyklusphasen gezeigt, was auf ein komplexes Zusammenspiel zwischen physiologischen Parametern und PMS-spezifischen Symptomen hindeutet (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006). Das neuroviszerale Integrationsmodell postuliert, dass die vmHRV die Kapazität des zentralen autonomen Netzwerks (CAN) widerspiegelt, das für regulatorische Prozesse auf Verhaltens-, kognitiver und autonomer Ebene verantwortlich ist (Thayer & Lane, 2000, 2009). Das innerhalb des CAN vermittelte Furchtlernen wird als Indikator für die Fähigkeit der vmHRV zur erfolgreichen Regulation betrachtet (Battaglia & Thayer, 2022). Angesichts der GABAergen Vermittlung der zentralen inhibitorischen funktionellen Konnektivität im CAN, die durch ALLO-Schwankungen beeinflusst werden kann, postuliert diese Arbeit, dass eine fluktuierende CAN-Aktivität in der Lutealphase zu den vielfältigen aversiven Symptomen des PMS beiträgt. Ein Forschungsprogramm wurde konzipiert, um diese Annahmen empirisch zu überprüfen. Studie 1 untersuchte die Furchtdiskriminierung während verschiedener Menstruationszyklusphasen und deren Wechselwirkung mit vmHRV. Dabei wurden nuancierte Effekte auf den akustischen Schreckreflex und die Hautleitfähigkeitsreaktion aufgedeckt. Während eine gesteigerte Furchtdiskriminierung in akustischen Startlereaktionen bei Teilnehmenden in der Lutealphase festgestellt wurde, zeigte sich in den Hautleitfähigkeitsreaktionen eine Wechselwirkung zwischen Menstruationszyklusphase und vmHRV. In dieser Variable war eine erhöhte Furchtdiskriminierung während der Lutealphase nur bei Personen mit hoher Ruhe-vmHRV sichtbar; Personen mit niedriger vmHRV zeigten eine verringerte Furchtdiskriminierung und insgesamt stärkere Reaktionen. Trotzdem PMS die Mehrzahl aller menstruierender Personen betrifft, gibt es im deutschen Sprachraum wenige Instrumente, die die Symptomatik reliabel erfassen. Um diese Lücke zu schließen, übersetzte und validierte Studie 2 eine deutsche Version der Kurzversion der Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), wodurch ein reliables Instrument für zukünftige Untersuchungen bereitgestellt wurde. Dieses schließt eine Lücke in PMS-Fragebögen in der deutschen Forschungslandschaft. Studie 3 verwendete ein Tagebuchstudienparadigma, um tägliche Zusammenhänge zwischen vmHRV und PMS-Symptomen zu erforschen. Die Ergebnisse zeigten klare simultane Fluktuationen zwischen den beiden Konstrukten mit einem Höhepunkt in PMS und einem Tiefpunkt in vmHRV einige Tage vor Beginn der Menstruation. Die Assoziation zwischen vmHRV und PMS wurde hautsächlich durch psychologische PMS-Symptome verursacht. Basierend auf den theoretischen Überlegungen zur neuroviszeralen Perspektive auf PMS, ist ein weiteres interessantes zu betrachtende Konstrukt Aufmerksamkeitskontrolle, da diese eng mit Funktionen des CAN zusammenhängt. Studie 4 untersuchte Aufmerksamkeitskontrolle und Unterschiede in der vmHRV zwischen der Luteal- und Follikelphase des Menstruationszyklus und zeigte eine Wechselwirkung zwischen Zyklusphase und PMS-Symptomen. In einer Pilotstudie fanden wir eine reduzierte vmHRV und Aufmerksamkeitskontrolle während der Lutealphase ausschließlich bei Teilnehmenden, die starke PMS-Symptome berichteten. Während die Studien 1-4 Evidenz für die Mechanismen hinter PMS lieferten, untersuchten Studien 5 und 6 Kurz- und Langzeitinterventionsprotokolle zur Verbesserung der PMS-Symptomatik. Studie 5 untersuchte den Effekt von Herzratenvariabilitätsbiofeedback (HRVB) auf PMS-Symptome und einer Reihe anderer Outcomemaße. In einem Wartelisten-Kontroll-Design durchliefen die Teilnehmenden eine 4-wöchige Smartphone-basierte HRVB-Intervention. Die Ergebnisse zeigten positive Effekte auf PMS, mit größeren Effektstärken in psychologischen Symptomen, sowie bei depressiven Symptomen, Ängstlichkeit/Stress und Aufmerksamkeitskontrolle. Schließlich untersuchte Studie 6 die akuten Effekte von HRVB auf Aufmerksamkeitskontrolle. Die Studie zeigte positive Effekte, jedoch nur bei stark gestressten Personen. KW - premenstrual syndrome KW - prämenstruelles Syndrom KW - heart rate variability KW - Herzratenvariabilität KW - biofeedback KW - Aufmerksamkeit KW - attention Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-645970 ER - TY - THES A1 - Pörschke, Alexander T1 - Koalitionsbildung und Gesetzgebung im Semi-Parlamentarismus T1 - Coalition formation and legislation in semi-parliamentarism N2 - Der Semi-Parlamentarismus beschreibt das Regierungssystem, in dem die Regierung von einem Teil des Parlaments gewählt wird und abberufen werden kann, von einem anderen Teil des Parlaments aber unabhängig ist. Beide Kammern müssen dabei der Gesetzgebung zustimmen. Dieses von Steffen Ganghof klassifizierte System ergänzt gängige Regierungssystemtypologien, wie sie beispielsweise von David Samuels und Matthew Shugart genutzt werden. Der Semi-Parlamentarismus ist der logische Gegenpart zum Semi-Präsidentialismus, bei dem nur ein Teil der Exekutive von der Legislative abhängt, während im Semi-Parlamentarismus die Exekutive von nur einem Teil der Legislative abhängt. Der Semi-Parlamentarismus verkörpert so ein System der Gewaltenteilung ohne einen exekutiven Personalismus, wie er durch die Direktwahl und Unabhängigkeit der Regierungchef:in im Präsidentialismus hervorgerufen wird. Dadurch ist der Semi-Parlamentarismus geeignet, Unterschiede zwischen Parlamentarismus und Präsidentialismus auf den separaten Einfluss der Gewaltenteilung und des exekutiven Personalismus zurückzuführen. Die Untersuchung des Semi-Parlamentarismus ist daher für die Regierungssystemliteratur insgesamt von Bedeutung. Der Semi-Parlamentarismus ist dabei kein rein theoretisches Konstrukt, sondern existiert im australischen Bundesstaat, den australischen Substaaten und Japan. Die vorliegende Dissertation untersucht erstmals umfassend die Gesetzgebung der semi-parlamentarischen Staaten als solchen. Der Fokus liegt dabei auf den zweiten Kammern, da diese durch die Unabhängigkeit von der Regierung der eigentliche Ort der Gesetzgebung sind. Die Gesetzgebung in Parlamentarismus und Präsidentialismus unterscheidet sich insbesondere in der Geschlossenheit der Parteien, der Koalitionsbildung und dem legislativen Erfolg der Regierungen. Diese Punkte sind daher auch von besonderem Interesse bei der Analyse des Semi-Parlamentarismus. Die semi-parlamentarischen Staaten unterscheiden sich auch untereinander teilweise erheblich in der institutionellen Ausgestaltung wie den Wahlsystemen oder den verfügbaren Mitteln zur Überwindung von Blockadesituationen. Die Darstellung und die Analyse der Auswirkungen dieser Unterschiede auf die Gesetzgebung ist neben dem Vergleich des Semi-Parlamentarismus mit anderen Systemen das zweite wesentliche Ziel dieser Arbeit. Als Fundament der Analyse habe ich einen umfangreichen Datensatz erhoben, der alle Legislaturperioden der australischen Staaten zwischen 1997 und 2019 umfasst. Wesentliche Bestandteile des Datensatzes sind alle namentlichen Abstimmungen beider Kammern, alle eingebrachten und verabschiedeten Gesetzen der Regierung sowie die mit Hilfe eines Expert-Surveys erhobenen Parteipositionen in den relevanten Politikfeldern auf substaatlicher Ebene. Hauptsächlich mit der Hilfe von Mixed-Effects- und Fractional-Response-Analysen kann ich so zeigen, dass der Semi-Parlamentarismus in vielen Aspekten eher parlamentarischen als präsidentiellen Systemen gleicht. Nur die Koalitionsbildung erfolgt deutlich flexibler und unterscheidet sich daher von der typischen parlamentarischen Koalitionsbildung. Die Analysen legen nahe, dass wesentliche Unterschiede zwischen Parlamentarismus und Präsidentialismus eher auf den exekutiven Personalismus als auf die Gewaltenteilung zurückzuführen sind. Zwischen den semi-parlamentarischen Staaten scheinen vor allem die Kontrolle des Medians beider Parlamentskammern durch die Regierung und die Möglichkeit der Regierung, die zweite Kammer mitaufzulösen, zu entscheidenden Unterschieden in der Gesetzgebung zu führen. Die Kontrolle des Medians ermöglicht eine flexible Koalitionsbildung und führt zu höheren legislativen Erfolgsraten. Ebenso führt eine möglichst leichte Auflösungsmöglichkeit der zweiten Kammern zu höheren legislativen Erfolgsraten. Die Parteigeschlossenheit ist unabhängig von diesen Aspekten in beiden Kammern der semi-parlamentarischen Parlamente sehr hoch. N2 - Semi-parliamentarism describes a system of government in which the government is elected and can be dismissed by one part of the parliament, but is independent of another part of the parliament. Both chambers must approve legislation. This system, as classified by Steffen Ganghof, complements common typologies of government systems such as those used by David Samuels and Matthew Shugart. Semi-parliamentarism is the logical counterpart to semi-presidentialism, in which only part of the executive depends on the legislature, while in semi-parliamentarism the executive depends on only part of the legislature. Semi-parliamentarism thus embodies a system of separation of powers without executive personalism, which is caused by the direct election and independence of the head of government in presidentialism. This makes semi-parliamentarism suitable for attributing differences between parliamentarism and presidentialism to the separate influence of separation of powers and executive personalism. The study of semi-parliamentarism is therefore important to the literature on governmental systems as a whole. Semi-parliamentarism is not a purely theoretical construct, but exists in the Australian federal state, the Australian sub-states, and Japan. This dissertation is the first to comprehensively examine the legislation of semi-parliamentary states as such. The focus is on the second chambers, which, because of their independence from the government, are the real locus of legislation. Legislation in parliamentary and presidential systems differs in terms of party unity, the formation of coalitions, and the legislative success of governments. These points are therefore of particular interest in the analysis of semi-parliamentarism. Some of the semi-parliamentary states also differ considerably from one another in terms of their institutional design, such as their electoral systems or the means available to overcome deadlock situations. In addition to comparing semi-parliamentarism with other systems, the second main objective of this thesis is to present and analyze the effects of these differences on legislation. As a basis for the analysis, I collected a comprehensive dataset covering all Australian state parliaments between 1997 and 2019. Essential components of the dataset are all roll call votes of both chambers, all introduced and passed government bills as well as the party positions in relevant policy areas at the sub-state level, which were collected with the help of an expert survey. Using mainly mixed-effects and fractional-response analyses, I show that semi-parliamentarism is more similar to parliamentary than to presidential systems in many respects. Only coalition formation is much more flexible and thus differs from typical parliamentary coalition formation. The analyses suggest that major differences between parliamentarism and presidentialism are due more to executive personalism than to the separation of powers. In semi-parliamentary states, government control over the median of the two parliamentary chambers and the government's ability to dissolve the second chamber seem to lead to significant differences in legislation. Control of the median allows for flexible coalition building and leads to higher legislative success rates. Similarly, making it as easy as possible to dissolve the second chamber leads to higher legislative success rates. Regardless of these aspects, party unity is very high in both chambers of semi-parliamentary parliaments. KW - Semi-Parlamentarismus KW - Gewaltenteilung KW - exekutiver Personalismus KW - Koalitionsbildung KW - legislative Erfolgsraten KW - Parteigeschlossenheit KW - Australien KW - semi-parliamentarism KW - separation of powers KW - executive personalism KW - coalition formation KW - legislative success rates KW - party unity KW - Australia Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634498 ER - TY - THES A1 - Sareeto, Apatsara T1 - Algebraic properties of a subsemigroup of the symmetric inverse semigroup Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Runge, Isabell T1 - Lehrkräftefortbildungen und Kompetenzen von Lehrkräften im Kontext der Digitalisierung BT - digitalbezogene Lehrkräftefortbildungen, selbsteingeschätzte digitale Kompetenzen von Lehrkräften und digitalgestützte Unterrichtsqualität N2 - Digitale Medien erlangen eine zunehmende Bedeutung für die Gestaltung von unterrichtlichen Lehr- und Lernprozessen (KMK, 2021; Scheiter, 2021). Die erfolgreiche Integration digitaler Medien und die qualitätsvolle Gestaltung digitalgestützten Unterrichts ist dabei abhängig von den digitalen Kompetenzen der beteiligten Lehrkräfte (KMK, 2021; Lachner et al., 2020). Lehrkräftefortbildungen zu Themen digitaler Medien sind in diesem Kontext von großer Relevanz. Die Teilnahme an Fortbildungen zu digitalen Themen kann zur Förderung der (selbsteingeschätzten) digitalen Kompetenzen sowie des digitalgestützten Unterrichts beitragen (KMK, 2021; SWK, 2022). Die Zusammenhänge zwischen Lehrkräftefortbildungen, Kompetenzen und Handeln von Lehrkräften werden auf theoretischer Ebene im Modell der Determinanten und Konsequenzen der professionellen Kompetenz von Lehrkräften nach Kunter et al. (2011) beschrieben. Allerdings ist bislang ungeklärt, inwiefern die für allgemeine Lehrkräftefortbildungen formulierten Zusammenhänge auch auf den digitalen Kontext übertragbar sind. Bisher weisen nur wenige empirische Ergebnisse darauf hin, dass digitalbezogene Lehrkräftefortbildungen mit selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen (z. B. Mayer et al., 2021; Ning et al., 2022; Reisoğlu, 2022) und dem digitalgestützten Unterrichtshandeln zusammenhängen (z. B. Alt, 2018; Gisbert Cervera & Lázaro Cantabrana, 2015). Eine zentrale Rolle für qualitätsvolles Unterrichtshandeln spielen die Handlungskompetenzen von Lehrkräften (Kunter et al., 2011). Auch im digitalen Kontext sind (selbsteingeschätzte) Kompetenzen von Lehrkräften für das unterrichtliche Handeln mit digitalen Medien relevant (z. B. Hatlevik, 2017; Spiteri & Rundgren, 2020). Eine systematische Darstellung von Kompetenzen von Lehrkräften für den unterrichtsbezogenen Einsatz digitaler Medien leistet der European Framework for the Digital Competence of Educators (DigCompEdu; Redecker & Punie, 2017). Jedoch liegen bisher nur wenige empirische Forschungsarbeiten zur Validierung dieses Rahmenmodells vor (z. B. Antonietti et al., 2022). Dabei bietet das DigCompEdu-Modell im Vergleich zu anderen Kompetenzmodellen wie beispielsweise dem Modell des Technological Pedagogical Content Knowledge (TPACK; Mishra & Koehler, 2006) einen differenzierten Blick auf verschiedene Kompetenzdimensionen. Die aufgezeigten Forschungslücken aufnehmend, befasst sich die vorliegende Dissertation mit den Faktoren, die zu einer hohen Unterrichtsqualität im digitalgestützten Unterricht beitragen. Die drei empirischen Studien dieser Dissertation behandeln aus verschiedenen Perspektiven die Zusammenhänge zwischen der Teilnahme an digitalbezogenen Lehrkräftefortbildungen, den selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen von Lehrkräften und der selbstberichteten digitalgestützten Unterrichtsqualität. Die Studien orientieren sich dabei theoriegeleitet an den Annahmen des Modells der Determinanten und Konsequenzen der professionellen Kompetenz von Lehrkräften nach Kunter et al. (2011). Studie 1 widmet sich der Frage, inwieweit die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen und Lehrkräftekooperationen im digitalen Kontext mit selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen, Interesse am digitalgestützten Unterrichten und qualitätsvollem Unterrichten mit digitalen Medien zusammenhängen. Die Ergebnisse manifester Pfadmodelle verdeutlichen, dass die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen und Kooperationen mit hohen digitalen Kompetenzen, einem hohen Interesse am digitalgestützten Unterrichten und einem selbstberichteten häufigen Einsatz digitaler Medien zur Umsetzung qualitätsvollen Unterrichtens (kognitive Aktivierung und Individualisierung) einhergingen. Digitalgestütztes Unterrichtshandeln wurde in bisherigen empirischen Studien vorrangig über die Nutzungshäufigkeit digitaler Medien im Unterricht erhoben, welche jedoch keine Rückschlüsse auf die Qualität des Einsatzes zulässt (Lachner et al., 2020; Scheiter, 2021). Der qualitätsvolle Einsatz digitaler Medien entlang der drei generischen Basisdimensionen (Klieme et al., 2009) wird daher in allen drei Studien der Dissertation berücksichtigt. In Studie 1 konnte zudem gezeigt werden, dass die selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen im Bereich TPACK die querschnittlichen Zusammenhänge zwischen der Teilnahmehäufigkeit von Lehrkräften an digitalbezogenen Fortbildungen und der Nutzungshäufigkeit digitaler Medien zur Umsetzung von kognitiver Aktivierung und Individualisierung vermitteln. In Studie 2 wurden Skalen zur Erfassung selbsteingeschätzter digitaler Kompetenzen basierend auf dem DigCompEdu-Modell entwickelt und getestet. Konkret wurde dabei die Kompetenzdimension der Lernerorientierung mit den Subdimensionen Differenzierung und Aktive Einbindung von Schüler*innen in den Blick genommen. Die Ergebnisse der durchgeführten Strukturgleichungsmodellierungen legen eine bifaktorielle Faktorstruktur nahe, die sowohl die zwei theoretisch angenommenen Subdimensionen repräsentiert als auch einen generellen Faktor beinhaltet, der sich als übergreifende Lernerorientierung interpretiert lässt. Die selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen in Bereich der Lernerorientierung standen in signifikant positivem Zusammenhang mit dem selbstberichteten Einsatz digitaler Medien zur selbstberichteten Umsetzung qualitätsvollen Unterrichtshandelns (Klassenführung, kognitive Aktivierung und konstruktive Unterstützung). Studie 3 führt die Themenfelder der Fortbildungen und der Kompetenzen im digitalen Kontext zusammen und befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen Fortbildungsthemen und digitalen Kompetenzen. Ergebnisse von Pfadmodellierungen zeigen, dass die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen zu den technologisch-pädagogisch-inhaltlichen Themen „Computergestützte Förderung der Schüler*innen“ und „Fachspezifische Unterrichtsentwicklung mit digitalen Medien“ mit dem selbstberichteten qualitätsvollen Einsatz digitaler Medien zur kognitiven Aktivierung und konstruktiven Unterstützung einhergehen. Diese Befunde stärken die Annahme, dass Lehrkräfte für einen qualitätsvollen Einsatz digitaler Medien sowohl technologische als auch pädagogisch didaktische Kompetenzen benötigen (Lipowsky & Rzejak, 2021; Mishra & Koehler, 2006; Scheiter & Lachner, 2019) und Fortbildungen folglich technologische mit unterrichtspraktischen Inhalten kombinieren sollten (Bonnes et al., 2022). Zudem zeigt die Studie basierend auf den theoretischen Annahmen von Kunter et al. (2011), dass selbsteingeschätzte digitale Kompetenzen von Lehrkräften die Zusammenhänge zwischen der Teilnahmehäufigkeit an digitalbezogenen Fortbildungen und der selbstberichteten digitalgestützten Unterrichtsqualität vermittelten. In der abschließenden Gesamtdiskussion der Dissertation werden die Befunde vor dem Hintergrund des dargelegten Forschungsstandes und hinsichtlich der Forschungslücken diskutiert und auf Grundlage der Befunde der drei Studien forschungs- und praxisrelevante Implikationen abgeleitet. KW - digitalbezogene Lehrkräftefortbildungen KW - digitalbzeogene Kompetenzen KW - digitalgestützte Unterrichtsqualität Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632716 ER - TY - THES A1 - Taleb, Aiham T1 - Self-supervised deep learning methods for medical image analysis T1 - Selbstüberwachte Deep Learning Methoden für die medizinische Bildanalyse N2 - Deep learning has seen widespread application in many domains, mainly for its ability to learn data representations from raw input data. Nevertheless, its success has so far been coupled with the availability of large annotated (labelled) datasets. This is a requirement that is difficult to fulfil in several domains, such as in medical imaging. Annotation costs form a barrier in extending deep learning to clinically-relevant use cases. The labels associated with medical images are scarce, since the generation of expert annotations of multimodal patient data at scale is non-trivial, expensive, and time-consuming. This substantiates the need for algorithms that learn from the increasing amounts of unlabeled data. Self-supervised representation learning algorithms offer a pertinent solution, as they allow solving real-world (downstream) deep learning tasks with fewer annotations. Self-supervised approaches leverage unlabeled samples to acquire generic features about different concepts, enabling annotation-efficient downstream task solving subsequently. Nevertheless, medical images present multiple unique and inherent challenges for existing self-supervised learning approaches, which we seek to address in this thesis: (i) medical images are multimodal, and their multiple modalities are heterogeneous in nature and imbalanced in quantities, e.g. MRI and CT; (ii) medical scans are multi-dimensional, often in 3D instead of 2D; (iii) disease patterns in medical scans are numerous and their incidence exhibits a long-tail distribution, so it is oftentimes essential to fuse knowledge from different data modalities, e.g. genomics or clinical data, to capture disease traits more comprehensively; (iv) Medical scans usually exhibit more uniform color density distributions, e.g. in dental X-Rays, than natural images. Our proposed self-supervised methods meet these challenges, besides significantly reducing the amounts of required annotations. We evaluate our self-supervised methods on a wide array of medical imaging applications and tasks. Our experimental results demonstrate the obtained gains in both annotation-efficiency and performance; our proposed methods outperform many approaches from related literature. Additionally, in case of fusion with genetic modalities, our methods also allow for cross-modal interpretability. In this thesis, not only we show that self-supervised learning is capable of mitigating manual annotation costs, but also our proposed solutions demonstrate how to better utilize it in the medical imaging domain. Progress in self-supervised learning has the potential to extend deep learning algorithms application to clinical scenarios. N2 - Deep Learning findet in vielen Bereichen breite Anwendung, vor allem wegen seiner Fähigkeit, Datenrepräsentationen aus rohen Eingabedaten zu lernen. Dennoch war der Erfolg bisher an die Verfügbarkeit großer annotatierter Datensätze geknüpft. Dies ist eine Anforderung, die in verschiedenen Bereichen, z. B. in der medizinischen Bildgebung, schwer zu erfüllen ist. Die Kosten für die Annotation stellen ein Hindernis für die Ausweitung des Deep Learning auf klinisch relevante Anwendungsfälle dar. Die mit medizinischen Bildern verbundenen Annotationen sind rar, da die Erstellung von Experten Annotationen für multimodale Patientendaten in großem Umfang nicht trivial, teuer und zeitaufwändig ist. Dies unterstreicht den Bedarf an Algorithmen, die aus den wachsenden Mengen an unbeschrifteten Daten lernen. Selbstüberwachte Algorithmen für das Repräsentationslernen bieten eine mögliche Lösung, da sie die Lösung realer (nachgelagerter) Deep-Learning-Aufgaben mit weniger Annotationen ermöglichen. Selbstüberwachte Ansätze nutzen unannotierte Stichproben, um generisches Eigenschaften über verschiedene Konzepte zu erlangen und ermöglichen so eine annotationseffiziente Lösung nachgelagerter Aufgaben. Medizinische Bilder stellen mehrere einzigartige und inhärente Herausforderungen für existierende selbstüberwachte Lernansätze dar, die wir in dieser Arbeit angehen wollen: (i) medizinische Bilder sind multimodal, und ihre verschiedenen Modalitäten sind von Natur aus heterogen und in ihren Mengen unausgewogen, z.B. (ii) medizinische Scans sind mehrdimensional, oft in 3D statt in 2D; (iii) Krankheitsmuster in medizinischen Scans sind zahlreich und ihre Häufigkeit weist eine Long-Tail-Verteilung auf, so dass es oft unerlässlich ist, Wissen aus verschiedenen Datenmodalitäten, z. B. Genomik oder klinische Daten, zu verschmelzen, um Krankheitsmerkmale umfassender zu erfassen; (iv) medizinische Scans weisen in der Regel eine gleichmäßigere Farbdichteverteilung auf, z. B. in zahnmedizinischen Röntgenaufnahmen, als natürliche Bilder. Die von uns vorgeschlagenen selbstüberwachten Methoden adressieren diese Herausforderungen und reduzieren zudem die Menge der erforderlichen Annotationen erheblich. Wir evaluieren unsere selbstüberwachten Methoden in verschiedenen Anwendungen und Aufgaben der medizinischen Bildgebung. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die von uns vorgeschlagenen Methoden sowohl die Effizienz der Annotation als auch die Leistung steigern und viele Ansätze aus der verwandten Literatur übertreffen. Darüber hinaus ermöglichen unsere Methoden im Falle der Fusion mit genetischen Modalitäten auch eine modalübergreifende Interpretierbarkeit. In dieser Arbeit zeigen wir nicht nur, dass selbstüberwachtes Lernen in der Lage ist, die Kosten für manuelle Annotationen zu senken, sondern auch, wie man es in der medizinischen Bildgebung besser nutzen kann. Fortschritte beim selbstüberwachten Lernen haben das Potenzial, die Anwendung von Deep-Learning-Algorithmen auf klinische Szenarien auszuweiten. KW - Artificial Intelligence KW - machine learning KW - unsupervised learning KW - representation learning KW - Künstliche Intelligenz KW - maschinelles Lernen KW - Representationlernen KW - selbstüberwachtes Lernen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-644089 ER - TY - THES A1 - Khosravi, Sara T1 - The effect of new turbulence parameterizations for the stable surface layer on simulations of the Arctic climate T1 - Die Auswirkung neuer Turbulenzparametrisierungen auf die stabile Grenzschicht in Simulationen des arktischen Klimas N2 - Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging. Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes. This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes. Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations. Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions. The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification. I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state. Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss. The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions. The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss. N2 - Der Klimawandel in der Arktis ist durch eine im Vergleich zum globalen Klimawandel verstärkte Erwärmung und einem damit verbundenen starken Rückgang des arktischen Meereises gekennzeichnet. Da dieser verstärkte Klimawandel in der Arktis die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten auf komplexe Weise über tropo- und stratosphärische Pfade beeinflussen kann, ist eine realistische Darstellung arktischer Prozesse in numerischen Klimamodellen für zuverlässige Simulationen gegenwärtiger und zukünftiger Klimaänderungen notwendig, stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein wesentlicher Grund für Modelldefizite bei der Reproduktion der beobachteten arktischen Klimaprozesse sind Unzulänglichkeiten bei der Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen, die die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean bestimmen. Gegenwärtige Klimamodelle verwenden für die Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen in der Arktis häufig Parametrisierungen, die für Bedingungen in mittleren Breiten entwickelt wurden. Diese Arbeit zielt auf eine bessere Darstellung arktischer atmosphärischer Prozesse in Klimamodellen und ein besseres Verständnis der daraus resultierenden Auswirkungen auf die simulierte großskalige atmosphärische Zirkulation in mittleren Breiten ab. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine Hierarchie von verbesserten Turbulenzparametrisierungen in das globale atmosphärische Zirkulationsmodell ECHAM6 implementiert, die basierend auf arktischen Messungen kürzlich entwickelt wurden. Dabei wurden die Stabilitätsfunktionen über Meereis und Ozean für stabile Schichtung sowie die Rauhigkeitslänge über dem Meereis für alle Schichtungsbedingungen modifiziert. Anschließend wurde eine umfassende Analyse der jeweiligen Sensitivitätsexperimente durchgeführt, um den Einfluss dieser Modifikationen auf die Simulationen der arktischen Grenzschicht, der großräumigen atmosphärischen Zirkulation und der dynamischen Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in ECHAM6 zu bewerten. Durch eine schrittweise Implementierung der Hierarchie von verbesserten Turbulenzparameterisierungen in ECHAM6 wurden in einer Reihe von Sensitivitätsexperimenten folgende Erkenntnisse gewonnen: Die kombinierte Auswirkung der reduzierten Rauhigkeitslänge und der modifizierten Stabilitätsfunktionen ist nichtlinear. Dennoch zeigt sich, dass beide Modifikationen zu einer besseren Darstellung arktischer Grenzschichtprozesse führen, insbesondere stimmt die Verringerung des Transferkoeffizienten für Wärme gut mit den Beobachtungen überein. Im Vergleich zu den Referenzbeobachtungen zeigt das ECHAM6-Modell jedoch eine unrealistische Darstellung des Auftretens labiler und stark stabiler Schichtungsbedingungen. Die geringere Häufigkeit von stark stabilen Bedingungen begrenzt den Einfluss der modifizierten Stabilitätsfunktionen. Wenn in den Modelldaten nur die Fälle mit stark stabiler Schichtung analysiert werden, führt die Verwendung der modifizierten Stabilitätsfunktionen zu sehr kleinen turbulenten sensiblen Wärmeflüssen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Dieses Verhalten wurde in den Modellsimulationen mit der Standardturbulenzparametrisierung nicht reproduziert. Es wurde zudem festgestellt, dass die Änderungen in den Turbulenzparametrisierungen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die großskaligen Temperatur- und Windfelder in verschiedenen Höhen bis in die Stratosphäre sowohl in der Arktis als auch in den mittleren Breiten haben. Diese signifikanten Signale variieren in ihrer Stärke und Lage je nach Monat und Jahr, was eine starke Abhängigkeit vom Hintergrundzustand anzeigt. Des Weiteren wird in dieser Arbeit untersucht, wie die modifizierten Turbulenzparametrisierungen die Reaktion der troposphärischen und stratosphärischen Zirkulation auf den Rückgang des arktischen Meereises beeinflussen. Dafür wurden die geeignetsten Parametrisierungen zur Darstellung der arktischen Grenzschichtturbulenz anhand der Sensitivitätsexperimente identifiziert. Anschließend wurde die Reaktion des Modells ECHAM6 auf den Meereisverlust durch weitere lange Simulationen mit unterschiedlichen vorgegebenen Meereisbedingungen bewertet. Dabei simuliert die ECHAM6 Modellversion mit verbesserter Turbulenzparametrisierung eine größere vertikale Ausdehnung der arktischen troposphärischen Erwärmung bei Meereisrückgang und zeigt somit eine verbesserte Übereinstimmung mit den Reanalyse-Daten. Darüber hinaus treten in dieser Simulation im Gegensatz zu den Kontrollexperimenten häufiger bevorzugte Zirkulationsmuster auf, die dafür bekannt sind, dass sie Änderungen in der Arktis dynamisch mit den mittleren Breiten verknüpfen. Insbesondere treten blockierende Hochdrucklagen über Skandinavien/Ural im Frühwinter und die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation im Spätwinter häufiger auf. Daher lässt sich ableiten, dass durch eine Verbesserung der Turbulenzparametrisierung der Effekt von Meereisverlust in ECHAM6 realistischer dargestellt werden kann. KW - boundary layer KW - atmosphere KW - atmospheric modelling KW - turbulence parameterizations KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenmodellierung KW - Grenzschicht KW - Turbulenzparametrisierungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643520 ER - TY - THES A1 - Richly, Keven T1 - Memory-efficient data management for spatio-temporal applications BT - workload-driven fine-grained configuration optimization for storing spatio-temporal data in columnar In-memory databases N2 - The wide distribution of location-acquisition technologies means that large volumes of spatio-temporal data are continuously being accumulated. Positioning systems such as GPS enable the tracking of various moving objects' trajectories, which are usually represented by a chronologically ordered sequence of observed locations. The analysis of movement patterns based on detailed positional information creates opportunities for applications that can improve business decisions and processes in a broad spectrum of industries (e.g., transportation, traffic control, or medicine). Due to the large data volumes generated in these applications, the cost-efficient storage of spatio-temporal data is desirable, especially when in-memory database systems are used to achieve interactive performance requirements. To efficiently utilize the available DRAM capacities, modern database systems support various tuning possibilities to reduce the memory footprint (e.g., data compression) or increase performance (e.g., additional indexes structures). By considering horizontal data partitioning, we can independently apply different tuning options on a fine-grained level. However, the selection of cost and performance-balancing configurations is challenging, due to the vast number of possible setups consisting of mutually dependent individual decisions. In this thesis, we introduce multiple approaches to improve spatio-temporal data management by automatically optimizing diverse tuning options for the application-specific access patterns and data characteristics. Our contributions are as follows: (1) We introduce a novel approach to determine fine-grained table configurations for spatio-temporal workloads. Our linear programming (LP) approach jointly optimizes the (i) data compression, (ii) ordering, (iii) indexing, and (iv) tiering. We propose different models which address cost dependencies at different levels of accuracy to compute optimized tuning configurations for a given workload, memory budgets, and data characteristics. To yield maintainable and robust configurations, we further extend our LP-based approach to incorporate reconfiguration costs as well as optimizations for multiple potential workload scenarios. (2) To optimize the storage layout of timestamps in columnar databases, we present a heuristic approach for the workload-driven combined selection of a data layout and compression scheme. By considering attribute decomposition strategies, we are able to apply application-specific optimizations that reduce the memory footprint and improve performance. (3) We introduce an approach that leverages past trajectory data to improve the dispatch processes of transportation network companies. Based on location probabilities, we developed risk-averse dispatch strategies that reduce critical delays. (4) Finally, we used the use case of a transportation network company to evaluate our database optimizations on a real-world dataset. We demonstrate that workload-driven fine-grained optimizations allow us to reduce the memory footprint (up to 71% by equal performance) or increase the performance (up to 90% by equal memory size) compared to established rule-based heuristics. Individually, our contributions provide novel approaches to the current challenges in spatio-temporal data mining and database research. Combining them allows in-memory databases to store and process spatio-temporal data more cost-efficiently. N2 - Durch die starke Verbreitung von Systemen zur Positionsbestimmung werden fortlaufend große Mengen an Bewegungsdaten mit einem räumlichen und zeitlichen Bezug gesammelt. Ortungssysteme wie GPS ermöglichen, die Bewegungen verschiedener Objekte (z. B. Personen oder Fahrzeuge) nachzuverfolgen. Diese werden in der Regel durch eine chronologisch geordnete Abfolge beobachteter Aufenthaltsorte repräsentiert. Die Analyse von Bewegungsmustern auf der Grundlage detaillierter Positionsinformationen schafft in unterschiedlichsten Branchen (z. B. Transportwesen, Verkehrssteuerung oder Medizin) die Möglichkeit Geschäftsentscheidungen und -prozesse zu verbessern. Aufgrund der großen Datenmengen, die bei diesen Anwendungen auftreten, stellt die kosteneffiziente Speicherung von Bewegungsdaten eine Herausforderung dar. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Hauptspeicherdatenbanken zur Speicherung eingesetzt werden, um die Anforderungen bezüglich interaktiver Antwortzeiten zu erfüllen. Um die verfügbaren Speicherkapazitäten effizient zu nutzen, unterstützen moderne Datenbanksysteme verschiedene Optimierungsmöglichkeiten, um den Speicherbedarf zu reduzieren (z. B. durch Datenkomprimierung) oder die Performance zu erhöhen (z. B. durch Indexstrukturen). Dabei ermöglicht eine horizontale Partitionierung der Daten, dass unabhängig voneinander verschiedene Optimierungen feingranular auf einzelnen Bereichen der Daten angewendet werden können. Die Auswahl von Konfigurationen, die sowohl die Kosten als auch Leistungsanforderungen berücksichtigen, ist jedoch aufgrund der großen Anzahl möglicher Kombinationen -- die aus voneinander abhängigen Einzelentscheidungen bestehen -- komplex. In dieser Dissertation präsentieren wir mehrere Ansätze zur Verbesserung der Datenverwaltung, indem wir die Auswahl verschiedener Datenbankoptimierungen automatisch für die anwendungsspezifischen Zugriffsmuster und Dateneigenschaften anpassen. Diesbezüglich leistet die vorliegende Dissertation die folgenden Beiträge: (1) Wir stellen einen neuen Ansatz vor, um feingranulare Tabellenkonfigurationen für räumlich-zeitliche Workloads zu bestimmen. In diesem Zusammenhang optimiert unser Linear Programming (LP) Ansatz gemeinsam (i) die Datenkompression, (ii) die Sortierung, (iii) die Indizierung und (iv) die Datenplatzierung. Hierzu schlagen wir verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Kostenabhängigkeiten vor, um optimierte Konfigurationen für einen gegebenen Workload, ein Speicherbudget und die vorliegenden Dateneigenschaften zu berechnen. Durch die Erweiterung des LP-basierten Ansatzes zur Berücksichtigung von Modifikationskosten und verschiedener potentieller Workloads ist es möglich, die Wartbarkeit und Robustheit der bestimmten Tabellenkonfiguration zu erhöhen. (2) Um die Speicherung von Timestamps in spalten-orientierten Datenbanken zu optimieren, stellen wir einen heuristischen Ansatz für die kombinierte Auswahl eines Speicherlayouts und eines Kompressionsschemas vor. Zudem sind wir durch die Berücksichtigung von Strategien zur Aufteilung von Attributen in der Lage, anwendungsspezifische Optimierungen anzuwenden, die den Speicherbedarf reduzieren und die Performance verbessern. (3) Wir stellen einen Ansatz vor, der in der Vergangenheit beobachtete Bewegungsmuster nutzt, um die Zuweisungsprozesse von Vermittlungsdiensten zur Personenbeförderung zu verbessern. Auf der Grundlage von Standortwahrscheinlichkeiten haben wir verschiedene Strategien für die Vergabe von Fahraufträgen an Fahrer entwickelt, die kritische Verspätungen reduzieren. (4) Abschließend haben wir unsere Datenbankoptimierungen anhand eines realen Datensatzes eines Transportdienstleisters evaluiert. In diesem Zusammenhang zeigen wir, dass wir durch feingranulare workload-basierte Optimierungen den Speicherbedarf (um bis zu 71% bei vergleichbarer Performance) reduzieren oder die Performance (um bis zu 90% bei gleichem Speicherverbrauch) im Vergleich zu regelbasierten Heuristiken verbessern können. Die einzelnen Beiträge stellen neuartige Ansätze für aktuelle Herausforderungen im Bereich des Data Mining und der Datenbankforschung dar. In Kombination ermöglichen sie eine kosteneffizientere Speicherung und Verarbeitung von Bewegungsdaten in Hauptspeicherdatenbanken. KW - spatio-temporal data management KW - trajectory data KW - columnar databases KW - in-memory data management KW - database tuning KW - spaltenorientierte Datenbanken KW - Datenbankoptimierung KW - Hauptspeicher Datenmanagement KW - Datenverwaltung für Daten mit räumlich-zeitlichem Bezug KW - Trajektoriendaten Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635473 ER - TY - THES A1 - Frank, Mario T1 - On synthesising Linux kernel module components from Coq formalisations T1 - Über die Synthese von Linux Kernel- Modul-Komponenten aus Coq-Formalisierungen N2 - This thesis presents an attempt to use source code synthesised from Coq formalisations of device drivers for existing (micro)kernel operating systems, with a particular focus on the Linux Kernel. In the first part, the technical background and related work are described. The focus is here on the possible approaches to synthesising certified software with Coq, namely the extraction to functional languages using the Coq extraction plugin and the extraction to Clight code using the CertiCoq plugin. It is noted that the implementation of CertiCoq is verified, whereas this is not the case for the Coq extraction plugin. Consequently, there is a correctness guarantee for the generated Clight code which does not hold for the code being generated by the Coq extraction plugin. Furthermore, the differences between user space and kernel space software are discussed in relation to Linux device drivers. It is elaborated that it is not possible to generate working Linux kernel module components using the Coq extraction plugin without significant modifications. In contrast, it is possible to produce working user space drivers both with the Coq extraction plugin and CertiCoq. The subsequent parts describe the main contributions of the thesis. In the second part, it is demonstrated how to extend the Coq extraction plugin to synthesise foreign function calls between the functional language OCaml and the imperative language C. This approach has the potential to improve the type-safety of user space drivers. Furthermore, it is shown that the code being synthesised by CertiCoq cannot be used in kernel space without modifications to the necessary runtime. Consequently, the necessary modifications to the runtimes of CertiCoq and VeriFFI are introduced, resulting in the runtimes becoming compatible components of a Linux kernel module. Furthermore, justifications for the transformations are provided and possible further extensions to both plugins and solutions to failing garbage collection calls in kernel space are discussed. The third part presents a proof of concept device driver for the Linux Kernel. To achieve this, the event handler of the original PC Speaker driver is partially formalised in Coq. Furthermore, some relevant formal properties of the formalised functionality are discussed. Subsequently, a kernel module is defined, utilising the modified variants of CertiCoq and VeriFFI to compile a working device driver. It is furthermore shown that it is possible to compile the synthesised code with CompCert, thereby extending the guarantee of correctness to the assembly layer. This is followed by a performance evaluation that compares a naive formalisation of the PC speaker functionality with the original PC Speaker driver pointing out the weaknesses in the formalisation and possible improvements. The part closes with a summary of the results, their implications and open questions being raised. The last part lists all used sources, separated into scientific literature, documentations or reference manuals and artifacts, i.e. source code. N2 - Die vorliegende Dissertation präsentiert einen Ansatz zur Nutzung von Quellcode, der aus der Coq-Formalisierung eines Gerätetreibers generiert wurde, für bestehende (Mikrokernel-)Betriebssysteme, im Speziellen den Linux-Kernel. Im ersten Teil erfolgt eine Beschreibung der relevanten technischen Aspekte sowie des aktuellen Forschungsstandes. Dabei liegt der Fokus auf der Synthese von funktionalem Code durch das Coq Extraction Plugin und von Clight Code durch das CertiCoq Plugin. Des Weiteren wird dargelegt, dass die Implementierung von CertiCoq im Gegensatz zu der des Coq Extraction Plugin verifiziert ist, wodurch sich eine Korrektheitsgarantie für den generierten Clight Code ableiten lässt. Darüber hinaus werden die Unterschiede zwischen User Space und Kernel Space Software in Bezug auf Linux-Treiber erörtert. Unter Berücksichtigung der technischen Einschränkungen wird dargelegt, dass der durch das Coq Extraction Plugin generierte Code ohne gravierende Anpassungen der Laufzeitumgebung nicht als Teil eines Kernel Space Treibers nutzbar ist. Die nachfolgenden Teile der Dissertation behandeln den Beitrag dieser Arbeit. Im zweiten Teil wird dargelegt, wie das Coq Extraction Plugin derart erweitert werden kann, dass typsichere Aufrufe zwischen den Sprachen OCaml und C generiert werden können. Dies verhindert spezifische Kompilationsfehler aufgrund von Typfehlern. Des Weiteren wird aufgezeigt, dass der durch CertiCoq generierte Code ebenfalls nicht im Kernel Space genutzt werden kann, da die Laufzeitumgebung technische Einschränkungen verletzt. Daher werden die notwendigen Anpassungen an der vergleichsweise kleinen Laufzeitumgebung sowie an VeriFFI vorgestellt und deren Korrektheit begründet. Anschließend werden mögliche Erweiterungen beider Plugins sowie die Möglichkeit der Behandlung von fehlschlagenden Aufrufen der Garbage Collection von CertiCoq im Kernel Space erörtert. Im dritten Teil wird als Machbarkeitsstudie im ersten Schritt der Event-Handler des Linux PC Speaker Treibers beschrieben und eine naive Coq-Formalisierung sowie wichtige formale Eigenschaften dargelegt. Dann wird beschrieben, wie ein Kernel-Modul und dessen Kompilation definiert werden muss, um einen lauffähigen Linux Kernel Treiber zu erhalten. Des Weiteren wird erläutert, wie die generierten Teile dieses Treibers mit dem verifizierten Kompiler CompCert übersetzt werden können, wodurch auch eine Korrektheit für den resultierenden Assembler-Code gilt. Im Anschluss erfolgt eine Evaluierung der Performance des aus der naiven Coq-Formalisierung generierten Codes im Vergleich zum originalen PC-Speaker Treiber. Dabei werden die Schwächen der Formalisierung sowie mögliche Verbesserungen diskutiert. Der Teil wird mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse sowie der daraus resultierenden offenen Fragen abgeschlossen. Der letzte Teil gibt eine Übersicht über genutzte Quellen und Hilfsmittel, unterteilt in wissenschaftliche Literatur, Dokumentationen sowie Software-Artefakte. KW - Linux device drivers KW - Coq KW - CertiCoq KW - synthesis KW - compilation KW - Geräte-Treiber KW - Linux KW - Coq KW - CertiCoq KW - Synthese KW - Kompilation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-642558 ER - TY - THES A1 - Montulet, Orianne T1 - Functional characterization of putative interactors of the Cellulose Synthase Complex T1 - Funktionelle Charakterisierung von mutmaßlichen Interaktoren des Cellulose-Synthase-Komplexes N2 - The plant cell wall plays several crucial roles during plant development with its integrity acting as key signalling component for growth regulation during biotic and abiotic stresses. Cellulose microfibrils, the principal load-bearing components is the major component of the primary cell wall, whose synthesis is mediated by microtubule-associated CELLULOSE SYNTHASE (CESA) COMPLEXES (CSC). Previous studies have shown that CSC interacting proteins COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE (CC) facilitate sustained cellulose synthesis during salt stress by promoting repolymerization of cortical microtubules. However, our understanding of cellulose synthesis during salt stress remains incomplete. In this study, a pull-down of CC1 protein led to the identification of a novel interactor, termed LEA-like. Phylogenetic analysis revealed that LEA-like belongs to the LATE EMBRYOGENESIS ABUNDANT (LEA) protein family, specifically to the LEA_2 subgroup, showing a close relationship with the CC proteins. Roots of the double mutants lea-like and its closest homolog emb3135 exhibited hypersensitivity when grown on cellulose synthesis inhibitors. Further analysis of higher-order mutants of lea-like, emb3135, and cesa6 demonstrated a genetic interaction between them indicating a significant role in cellulose synthesis. Live-cell imaging revealed that both LEA-like and EMB3135 migrated with the CSC at the plasma membrane along microtubule tracks in control and oryzalin-treated conditions which destabilize microtubules, suggesting a tight interaction. Investigation of fluorescently labeled lines of different domains of the LEA-like protein revealed that the N-terminal cytosolic domain of LEA-like colocalizes with microtubules, suggesting a physical association between the two. Considering the established role of LEA proteins in abiotic stress tolerance, we performed phenotypic analysis of the mutant under various stresses. Growth of double mutants of lea-like and emb3135 on NaCl containing media resulted in swelling of root cell indicating a putative role in salt stress tolerance. Supportive of this the quadruple mutant, lacking LEA-like, EMB3135, CC1, and CC2 proteins, exhibited a severe root growth defect on NaCl media compared to control conditions. Live-cell imaging revealed that under salt stress, the LEA-like protein forms aggregates in the plasma membrane. In conclusion, this study has unveiled two novel interactors of the CSC that act with the CC proteins that regulate plant growth in response to salt stress providing new insights into the intricate regulation of cellulose synthesis, particularly under such conditions. N2 - Die pflanzliche Zellwand spielt während der Pflanzenentwicklung mehrere entscheidende Rollen, wobei ihre Integrität als zentrale Signalkomponente für die Wachstumsregulierung bei biotischem und abiotischem Stress fungiert. Zellulose-Mikrofibrillen, die wichtigsten tragenden Komponenten, sind der Hauptbestandteil der primären Zellwand, deren Synthese durch Mikrotubuli assoziierte CELLULOSE SYNTHASE (CESA) Komplexe (CSC) vermittelt wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die mit den CSC interagierenden Proteinen COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE (CC) die anhaltende Zellulosesynthese bei Salzstress erleichtern, indem sie die Repolymerisation der kortikalen Mikrotubuli fördern. Unser Verständnis der Zellulosesynthese bei Salzstress ist jedoch noch unvollständig. In dieser Studie führte ein Pull-down des CC1-Proteins zur Identifizierung eines neuen Interaktors, der als LEA-like bezeichnet wird. Eine phylogenetische Analyse ergab, dass LEA-like zur Late Embryogenesis Abundant (LEA)-Proteinfamilie gehört, insbesondere zur LEA_2-Untergruppe, die eine enge Beziehung zu den CC-Proteinen aufweist. Die Wurzeln der Doppelmutanten lea-like und seines engsten Homologen emb3135 zeigten eine Überempfindlichkeit, wenn sie auf Zellulose-Synthese-Inhibitoren wuchsen. Weitere Analysen von Mutanten höherer Ordnung von lea-like, emb3135 und cesa6 zeigten eine genetische Interaktion zwischen ihnen, die auf eine bedeutende Rolle bei der Zellulosesynthese hinweist. Die Bildgebung in lebenden Zellen zeigte, dass sowohl LEA-like als auch EMB3135 mit dem CSC an der Plasmamembran entlang von Mikrotubuli-Spuren wandern, und zwar sowohl unter Kontrollbedingungen als auch unter Oryzalin-Behandlung, die die Mikrotubuli destabilisiert, was auf eine enge Interaktion hindeutet. Die Untersuchung von fluoreszenzmarkierten Linien verschiedener Domänen des LEA-like-Proteins ergab, dass die N-terminale zytosolische Domäne von LEA-like mit Mikrotubuli kolokalisiert, was auf eine physische Verbindung zwischen den beiden hindeutet. In Anbetracht der bekannten Rolle der LEA-Proteine bei der abiotischen Stresstoleranz haben wir eine phänotypische Analyse der Mutante unter verschiedenen Stressbedingungen durchgeführt. Das Wachstum von Doppelmutanten von lea-like und emb3135 auf NaCl-haltigen Medien führte zu einem Anschwellen der Wurzelzellen, was auf eine mutmaßliche Rolle bei der Salzstresstoleranz hindeutet. Die Vierfachmutante, der die Proteine LEA-like, EMB3135, CC1 und CC2 fehlen, wies im Vergleich zu den Kontrollbedingungen auf NaCl-Medien einen schweren Wachstumsdefekt der Wurzeln auf. Die Bildgebung in lebenden Zellen zeigte, dass das LEA-like-Protein unter Salzstress Aggregate in der Plasmamembran bildet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie zwei neue Interaktoren des CSC aufgedeckt hat, die mit den CC-Proteinen zusammenwirken und das Pflanzenwachstum als Reaktion auf Salzstress regulieren. KW - cell wall KW - cellulose KW - salt stress KW - cellulose synthase complex KW - Arabidopsis KW - Zellwand KW - zellulose, Salzstress KW - Cellulose-Synthese-Complex KW - Arabidopsis Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Apodiakou, Anastasia T1 - Analysis of the regulation of SDI genes, unravelling the role of the SLIM1 transcription factor, and the SNRK3.15 kinase in Arabidopsis under sulfur deprivation Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Seerangan, Kumar T1 - Actin-based regulation of cell and tissue scale morphogenesis in developing leaves T1 - Aktin-basierte Regulierung der Zell- und Gewebeskalenmorphogenese in sich entwickelnden Blättern N2 - Leaves exhibit cells with varying degrees of shape complexity along the proximodistal axis. Heterogeneities in growth directions within individual cells bring about such complexity in cell shape. Highly complex and interconnected gene regulatory networks and signaling pathways have been identified to govern these processes. In addition, the organization of cytoskeletal networks and cell wall mechanical properties greatly influences the regulation of cell shape. Research has shown that microtubules are involved in regulating cellulose deposition and direc-tion of cell growth. However, comprehensive analysis of the regulation of the actin cytoskele-ton in cell shape regulation has not been well studied. This thesis provides evidence that actin regulates aspects of cell growth, division, and direction-al expansion that impacts morphogenesis of developing leaves. The jigsaw puzzle piece mor-phology of epidermal pavement cells further serves as an ideal system to investigate the com-plex process of morphogenetic processes occurring at the cellular level. Here we have em-ployed live cell based imaging studies to track the development of pavement cells in actin com-promised conditions. Genetic perturbation of two predominantly expressed vegetative actin genes ACTIN2 and ACTIN7 results in delayed emergence of the cellular protrusions in pave-ment cells. Perturbation of actin also impacted the organization of microtubule in these cells that is known to promote emergence of cellular protrusions. Further, live-cell imaging of actin or-ganization revealed a correlation with cell shape, suggesting that actin plays a role in influencing pavement cell morphogenesis. In addition, disruption of actin leads to an increase in cell size along the leaf midrib, with cells being highly anisotropic due to reduced cell division. The reduction of cell division further im-pacted the morphology of the entire leaf, with the mutant leaves being more curved. These re-sults suggests that actin plays a pivotal role in regulating morphogenesis at the cellular and tis-sue scales thereby providing valuable insights into the role of the actin cytoskeleton in plant morphogenesis. N2 - Die Blätter weisen entlang der proximodistalen Achse Zellen mit unterschiedlich komplexer Form auf. Heterogenitäten in den Wachstumsrichtungen innerhalb einzelner Zellen führen zu einer solchen Komplexität der Zellform. Es wurden hochkomplexe und miteinander verbundene Genregulationsnetze und Signalwege identifiziert, die diese Prozesse steuern. Darüber hinaus haben die Organisation der Zytoskelettnetze und die mechanischen Eigenschaften der Zellwand großen Einfluss auf die Regulierung der Zellform. Die Forschung hat gezeigt, dass Mikrotubuli an der Regulierung der Zelluloseablagerung und der Richtung des Zellwachstums beteiligt sind. Eine umfassende Analyse der Regulierung des Aktin-Zytoskeletts bei der Regulierung der Zellform ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden. Diese Arbeit liefert Beweise dafür, dass Aktin Aspekte des Zellwachstums, der Zellteilung und der gerichteten Expansion reguliert, die die Morphogenese der sich entwickelnden Blätter beeinflussen. Die puzzleartige Morphologie der epidermalen Zellen ist ein ideales System, um den komplexen Prozess der morphogenetischen Prozesse auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Hier haben wir Bildgebungsstudien an lebenden Zellen durchgeführt, um die Entwicklung von Epidermiszellen unter Bedingungen zu verfolgen, bei denen das Aktin beeinträchtigt ist. Eine genetische Störung der beiden vorwiegend vegetativ exprimierten Aktin-Gene ACTIN2 und ACTIN7 führt zu einer verzögerten Entstehung der zellulären Wandausstülpungen in Epidermiszellen. Die Störung des Aktins wirkte sich auch auf die Organisation der Mikrotubuli in diesen Zellen aus, von denen bekannt ist, dass sie das Entstehen von Zellwandausstülpungen fördern. Darüber hinaus ergab die Live-Zell-Darstellung der Aktin-Organisation eine Korrelation mit der Zellform, was darauf hindeutet, dass Aktin eine Rolle bei der Morphogenese der Epidermiszellen spielt. Darüber hinaus führt die Unterbrechung von Aktin zu einer Zunahme der Zellgröße entlang der Blattmittelrippe, wobei die Zellen aufgrund der verringerten Zellteilung stark anisotrop sind. Die Verringerung der Zellteilung wirkte sich auch auf die Morphologie des gesamten Blattes aus, wobei die mutierten Blätter stärker gekrümmt waren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Aktin eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Morphogenese auf zellulärer und geweblicher Ebene spielt, was wertvolle Einblicke in die Rolle des Aktin-Zytoskeletts bei der Morphogenese von Pflanzen ermöglicht. KW - leaf KW - pavement cell KW - actin/microtubules KW - spatio-temporal regulation KW - Blatt KW - Pflasterzelle KW - Aktin/Mikrotubuli KW - räumlich-zeitliche Regulierung Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Hagemann, Justus T1 - On the molecular evolution of sengis (Macroscelidea) N2 - This thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts. Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxon molecular phylogeny exists, hampering the answering of basic taxonomic questions. This lack of knowledge can be to some extent attributed to the limited availability of fresh-tissue samples for DNA extraction. The broad African distribution, partly in political unstable regions and low population densities complicate contemporary sampling approaches. Furthermore, the DNA information available usually covers only short stretches of the mitochondrial genome and thus a single genetic locus with limited informational content. Developments in DNA extraction and library protocols nowadays offer the opportunity to access DNA from museum specimens, collected over the past centuries and stored in natural history museums throughout the world. Thus, the difficulties in fresh-sample acquisition for molecular biological studies can be overcome by the application of museomics, the research field which emerged from those laboratory developments. This thesis uses fresh-tissue samples as well as a vast collection museum specimens to investigate multiple aspects about the macroscelidean evolutionary history. Chapter 4 of this thesis focuses on the phylogenetic relationships of all currently known sengi species. By accessing DNA information from museum specimens in combination of fresh tissue samples and publicly available genetic resources it produces the first full taxon molecular phylogeny of sengis. It confirms the monophyly of the genus Elephantulus and discovers multiple deeply divergent lineages within different species, highlighting the need for species specific approaches. The study furthermore focuses on the evolutionary time frame of sengis by evaluating the impact of commonly varied parameters on tree dating. The results of the study show, that the mitochondrial information used in previous studies to temporal calibrate the Macroscelidean phylogeny led to an overestimation of node ages within sengis. Especially soft-furred sengis are thus much younger than previously assumed. The refined knowledge of nodes ages within sengis offer the opportunity to link e.g. speciation events to environmental changes. Chapter 5 focuses on the genus Petrodromus with its single representative Petrodromus tetradactylus. It again exploits the opportunities of museomics and gathers a comprehensive, multi-locus genetic dataset of P. tetradactylus individuals, distributed across most the known range of this species. It reveals multiple deeply divergent lineages within Petrodromus, whereby some could possibly be associated to previously described sub-species, at least one was formerly unknown. It underscores the necessity for a revision of the genus Petrodromus through the integration of both molecular and morphological evidence. The study, furthermore identifies changing forest distributions through climatic oscillations as main factor shaping the genetic structure of Petrodromus. Chapter 6 uses fresh tissue samples to extent the genomic resources of sengis by thirteen new nuclear genomes, of which two were de-novo assembled. An extensive dataset of more than 8000 protein coding one-to-one orthologs allows to further refine and confirm the temporal time frame of sengi evolution found in Chapter 4. This study moreover investigates the role of gene-flow and incomplete lineage sorting (ILS) in sengi evolution. In addition it identifies clade specific genes of possible outstanding evolutionary importance and links them to potential phenotypic traits affected. A closer investigation of olfactory receptor proteins reveals clade specific differences. A comparison of the demographic past of sengis to other small African mammals does not reveal a sengi specific pattern. N2 - Diese Dissertation untersucht die molekulare Evolution von Macroscelidea, auch als Sengis oder Rüsselspringer bezeichnet. Sengis sind eine Ordnung der Afrotheria, einer der vier Hauptkladen der plazentalen Säugetiere. Aktuell gibt es zwanzig beschriebene Sengiarten, die alle ausschließlich auf dem afrikanischen Kontinent vorkommen. Sengis können in zwei Familien unterteilt werden: die Elephantenspitzmäuse zusammen mit den Rüsselratten bilden die Macroscelididae und die Rüsselhündchen die Rhynchocyonidae. Während Rhynchocyonidae ausschließlich in Waldhabitaten zu finden sind, bewohnen verschiedene Macroscelididaearten ein breites Spektrum von Lebensräumen, von tropischen Regenwäldern bis zu felsigen Wüsten. Unser Wissen über die evolutionäre Geschichte der Sengis ist äußerst unvollständig. Der hohe Grad an morphologischer Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Sengiarten (insbesondere innerhalb der Macroscelididae) hat beispielsweise zu Fehlinterpretationen phylogenetischer Beziehungen auf der Grundlage morphologischer Merkmale geführt. Mit dem Aufkommen DNA-basierter taxonomischer Forschung wurden mehrere neue Gattungen definiert und neue Arten beschrieben. Dennoch existiert derzeit keine vollständige molekulare Phylogenie, was die Beantwortung grundlegender taxonomischer Fragen und tiefergehende evolutionsbiologische Analysen erschwert. Dieser Mangel an Wissen kann zum Teil auf die begrenzte Verfügbarkeit von frischen Gewebeproben für die DNA-Extraktion zurückgeführt werden. Die weite Verbreitung in Afrika, teilweise in politisch instabilen Regionen und geringe Populationssdichten von Sengis erschweren das Sammeln von frischem Probenmaterial, was für die Extraktion von DNA genutzt werden kann. Darüber hinaus deckt die bis jetzt verfügbare DNA-Information über Sengis häufig nur kurze Abschnitte des mitochondrialen Genoms ab und damit einen einzelnen genetischen Lokus mit begrenztem Informationsgehalt. Fortentwicklungen von DNA-Extraktions-Protokollen und Library-Protokollen bieten heutzutage die Möglichkeit, auf DNA von Museumsexemplaren zuzugreifen, die über die letzten Jahrhunderte gesammelt und in Naturkundemuseen weltweit aufbewahrt werden. Somit können die Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Frischproben für molekularbiologische Studien überwunden werden. Diese Dissertation verwendet sowohl Frischgewebeproben als auch eine umfangreiche Sammlung von Museumssproben, um verschiedene Aspekte der evolutionären Geschichte der Sengis molekularbiologisch zu untersuchen. Kapitel 4 dieser Dissertation konzentriert sich auf die phylogenetischen Beziehungen aller derzeit bekannten Sengiarten. Durch das Generieren von DNA-Information aus Museumsexemplaren in Kombination mit Frischgewebeproben und öffentlich verfügbaren genetischen Ressourcen wird die erste vollständige molekulare Phylogenie aller Rüsselspringer erzeugt. Die Studie bestätigt die Monophylie der Gattung Elephantulus und entdeckt mehrere tief divergente Linien innerhalb verschiedener Arten, was die Notwendigkeit speziesbezogener Ansätze verdeutlicht. Die Studie konzentriert sich außerdem auf den Zeitrahmen der Sengi-Evolution, indem sie die Auswirkungen häufig variierter Parameter auf die Datierung von Stammbäumen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mitochondriale Information, die in früheren Studien zur zeitlichen Kalibrierung der Macroscelidean-Phylogenie verwendet wurde, zu einer Überschätzung des Alters von Arttrennungen innerhalb der Rüsselspringer geführt hat. Insbesondere die Macroscelididae sind daher viel jünger als zuvor angenommen. Das präzisere Wissen über das evolutionäre Alter von Rüsselspringern bietet die Möglichkeit, beispielsweise Artaufspaltungen mit Umweltveränderungen zu verknüpfen. Kapitel 5 konzentriert sich auf die Gattung Petrodromus mit ihrem einzigen Vertreter Petrodromus tetradactylus. Es nutzt erneut die Museomics und sammelt einen umfassenden, genetischen Datensatz von P. tetradactylus-Individuen, die über den größten Teil des bekannten Verbreitungsgebiets dieser Art verteilt sind. Es zeigt mehrere tief divergente Linien innerhalb von Petrodromus auf, wobei einige mit zuvor beschriebenen Unterarten in Verbindung gebracht werden könnten, mindestens eine aber zuvor unbekannt war. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit einer taxonomischen Überarbeitung der Gattung Petrodromus durch das Zusammenführen sowohl molekularer als auch morphologischer Indizien. Die Studie identifizier außerdem sich ändernde Waldverteilungen durch klimatische Schwankungen als Hauptfaktor, der die genetische Struktur von Petrodromus formt. Kapitel 6 verwendet Frischgewebeproben, um die genomischen Ressourcen der Rüsselspringer durch dreizehn neue nukleare Genome zu erweitern, von denen zwei de-novo assembliert wurden. Ein umfangreicher Datensatz von mehr als 8000 protein-kodierenden 1:1-Orthologen ermöglicht es, den zeitlichen Rahmen der Rüsselspringerevolution, der in Kapitel 4 gefunden wurde, weiter zu verfeinern und zu bestätigen. Diese Studie untersucht außerdem die Rolle von Genfluss auf die Evolution der Rüsselspringer. Darüber hinaus identifiziert sie für bestimmte Kladen spezifische Gene von möglicherweise herausragender evolutionärer Bedeutung und verknüpft diese mit potenziell betroffenen phänotypischen Merkmalen. Eine genauere Untersuchung von Geruchsrezeptorproteinen zeigt kladespezifische Unterschiede auf. KW - sengis KW - evolution KW - molecular dating KW - biogeography KW - comparative genomics KW - Biogeographie KW - vergleichende Genomik KW - Evolution KW - molekulare Datierung KW - Sengis Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-641975 ER - TY - THES A1 - Rogge, Franziska T1 - Multiprofessionelle Kooperation an inklusiven Schulen im Bundesland Brandenburg: Vorkommen, Profile, Auswirkungen N2 - Die Zusammenarbeit zwischen Lehr- und anderen Fachkräften stellt in Modellen inklusiver Schul- und Unterrichtsentwicklung sowie Schuleffektivität ein wichtiges Element dar. Wenngleich Kooperation als bedeutsam postuliert wird, so belegen Studien, dass diese bisher überwiegend in autonomieerhaltenden Formen praktiziert wird. Als entwicklungsförderlich gelten jedoch v.a. komplexere Formen der Zusammenarbeit. Vor dem Hintergrund inklusiver Bildung und dem Anspruch einer bestmöglichen individuellen Entwicklung der Schüler*innen stellt die Zusammenarbeit von Lehr- und Fachkräften folglich ein sehr bedeutsames Thema dar. Es ist zu hinterfragen, wie sich die Zusammenarbeit zwischen Lehr- und Fachkräften im Primar- wie Sekundarstufenbereich an inklusiven Schulen gestaltet, welche Faktoren diese beeinflussen und welche Relevanz die unterschiedlichen Formen der Zusammenarbeit im Prozess inklusiver Schulentwicklung einnehmen. Bestehende Forschungsdesiderata aufgrei-fend, fokussiert die vorliegende Dissertation auf die realisierte Zusammenarbeit von Lehr- und Fachkräften im Primar- und Sekundarstufenbereich inklusiver Schulen, am Beispiel des Landes Brandenburg. Neben den realisierten Formen der Zusammenarbeit, stehen insbesondere die Identifikation von Kooperationsmustern von Lehr- und Fachkräften sowie von Schulen, und deren Zusammenhänge mit der Leistungsentwicklung von Schüler*innen im Kern des Forschungsinteresses. Die vorliegende Dissertation bearbeitet insgesamt sechs Forschungsfragen, welche in drei Teilstudien adressiert werden: Zunächst werden mittels deskriptiver Analysen sowie Mehrebenenmodellierungen die Ausgangslage multiprofessioneller Kooperation (erste Forschungsfrage) sowie deren Rahmenbedingungen (zweite Forschungsfrage) im Primar- wie Sekundarstufenbereich erfasst (Teilstudie 1). Lehr- und Fachkräfte kooperierten überwiegend in autonomieerhaltenden, austauschbasierten Formen. Weiterhin zeigte sich, dass insbesondere die individuelle Offenheit zur Zusammenarbeit sowie die subjektiv wahrgenommene Unterstützung durch die Schulleitung bedeutsame Faktoren für die Realisierung multiprofessioneller Kooperation darstellten. Die Fragestellungen drei und vier befassen sich mit der Identifikation von Mustern im Kooperationsverhalten (Teilstudie 2). Zum einen geht es hierbei um personenbezogene Profile von Lehr- und Fachkräften (dritte Forschungsfrage), zum anderen um schulbezogene Profile (vierte Forschungsfrage), welche mittels des personenzentrierten Ansatzes der latenten Profilanalysen unter Berücksichtigung der Mehrebenenstruktur identifiziert werden. Hinsichtlich des individuellen Kooperationsverhaltens konnten vier Profile eruiert werden, bzgl. des schulspezifischen Kooperationsverhaltens drei. Die Mehrheit der Lehr- und Fachkräfte konnte im „regularly“-Profil verortet werden, d.h. nach eigener Einschätzung kooperierten diese überdurchschnittlich häufig im Austausch miteinander und arbeitsteilig, aber auch regelmäßig kokonstruktiv. Auf Schulebene zeigte sich, dass etwa jede zweite inklusive Schule im Land Brandenburg über eine hoch ausgeprägte Kooperationskultur verfügte. Im Fokus der Teilstudie 3 wird den Fragen nachgegangen, in welchem Zusammenhang die schulspezifischen Kooperationskulturen mit der Leistungsentwicklung von Schüler*innen in der Primar- wie Sekundarstufe steht. Mittels autoregressiver Mehrebenenanalysen wird einerseits der Zusammenhang mit der Leistungsentwicklung aller Schüler*innen (fünfte Forschungsfrage) untersucht, sowie spezifisch auf die Entwicklung von Schüler*innen mit und ohne sonderpädagogischem Förderbedarf (sechste Forschungsfrage) fokussiert. Ein zentrales Ergebnis war hierbei, dass Schüler*innen mit sonderpädagogischem Förderbedarf in der Primar- wie Sekundarstufe in ihrer Leistungsentwicklung am stärksten profitierten, wenn sie an Schulen lernten, an denen sich die Lehr- und Fachkräfte sehr regelmäßig über Lernstände der Schüler*innen austauschten (Austausch), Arbeitspakete für differenzierte Lernangebote erarbeiteten und verteilten (Arbeitsteilung) und darüber hinaus gelegentlich gemeinsam Problemlösungen entwickelten (Kokonstruktion). Die Ergebnisse werden vor dem Hintergrund der postulierten Relevanz multiprofessioneller Kooperation für inklusive Schul- und Unterrichtsentwicklungsprozesse eingeordnet und diskutiert. Weiterhin werden verschiedene praktische Implikationen für die Unterstützung multiprofessioneller Zusammenarbeit im Primar- und Sekundarstufenbereich abgeleitet. N2 - Collaboration between teachers and specialists is an important element in models of inclusive school and instructional development and school effectiveness. Although collaboration is postulated to be important, studies show that it has so far mainly been practised in autonomy-preserving forms. However, more complex forms of collaboration are considered to promote development. In the context of inclusive education and the demand for the best individual development of students, collaboration between teachers and specialists is therefore a very important aspect. It is necessary to analyse the extent to which collaboration between teachers and specialists in primary and secondary schools is realised in inclusive schools, which factors influence this and what relevance the different forms of collaboration have in the process of inclusive school development. Taking up existing research desiderata, this dissertation therefore focuses on the realised collaboration between teachers and specialists in primary and secondary inclusive schools, using the example of the federal state of Brandenburg. In addition to the realised forms of collaboration, the identification of cooperation patterns of teachers and specialists, but also of schools and their connections with the performance development of pupils are at the core of the research interest. This dissertation addresses a total of six research questions, which are addressed in three sub-studies: Firstly, descriptive analyses and multi-level modelling are used to record the initial situation of multi-professional collaboration (first research question) and its framework conditions (second research question) in primary and secondary education (sub-study 1). Teachers and specialists collaborated predominantly in autonomy-preserving, exchange-based forms. It was also shown that the individual openness to collaboration and the subjectively perceived support from the school management were especially important factors for the realisation of multi-professional collaboration. Questions three and four deal with the identification of pat-terns in cooperation behaviour (sub-study 2). On the one hand, this involves personal profiles of teachers and specialists (third research question) and, on the other hand, school-related profiles (fourth research question), which are identified using the person-centred approach of latent profile analyses, taking into account the multi-level structure. Four profiles were identified with regard to individual cooperation behaviour and three with regard to school-specific cooperation behaviour. The majority of teachers and specialists could be categorised in the "regularly" profile, i.e. according to their own assessment, they collaborated with each other more frequently than average in an exchange and division of labour, but also regularly in a co-constructive manner. At school level, it was found that around every second inclusive school in the state of Brandenburg has a highly developed culture of collaboration. Sub-study 3 focuses on the questions of how school-specific cultures of collaboration are related to the performance of pupils at primary and secondary level. Using autoregressive multi-level analyses, the correlation with the performance development of all pupils (fifth research question) is examined on the one hand, and specifically focussed on the development of pupils with and without special educational needs (sixth research question). A key finding here was that pupils with special educational needs at both primary and secondary level benefited most in terms of their performance development if they learnt at schools where teachers and specialists regularly exchanged information about the pupils' learning status (exchange), developed and distributed work packages for differentiated learning opportunities (division of labour) and also occasionally developed solutions to problems together (co-construction). The results are categorised and discussed against the background of the postulated relevance of multi-professional collaboration for inclusive school and lesson development processes. Furthermore, various practical implications for supporting multi-professional collaboration in primary and secondary education are derived. KW - multiprofessionelle Kooperation KW - Primar- und Sekundarstufe KW - latente Mehrebenen-Profilanalysen KW - (autoregressive) Mehrebenenanalysen KW - Leistungsentwicklung KW - inklusive Schulen KW - multiprofessional collaboration KW - primary and secondary schools KW - multilevel latent profile analyses KW - autoregressive multi-level analyses KW - performance development KW - inclusive schools Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639190 ER - TY - THES A1 - Heinz, Markus T1 - Synthese von Monomeren auf der Basis nachwachsender Rohstoffe und ihre Polymerisation T1 - Synthesis of Monomers based on Renewable Resources and their Polymerization N2 - Die vorliegende Arbeit thematisiert die Synthese und die Polymerisation von Monomeren auf der Basis nachwachsender Rohstoffe wie zum Beispiel in Gewürzen und ätherischen Ölen enthaltenen kommerziell verfügbaren Phenylpropanoiden (Eugenol, Isoeugenol, Zimtalkohol, Anethol und Estragol) und des Terpenoids Myrtenol sowie ausgehend von der Rinde einer Birke (Betula pendula) und der Korkeiche (Quercus suber). Ausgewählte Phenylpropanoide (Eugenol, Isoeugenol und Zimtalkohol) und das Terpenoid Myrtenol wurden zunächst in den jeweiligen Laurylester überführt und anschließend das olefinische Strukturelement epoxidiert, wobei 4 neue (2-Methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyldodecanoat, 2-Methoxy-4-(3-methyl-oxiran-2-yl)phenyldodecanoat, (3-Phenyloxiran-2-yl)methyldodecanoat, (7,7-Dimethyl-3-oxatricyclo[4.1.1.02,4]octan-2-yl)methyldodecanoat) und 2 bereits bekannte monofunktionelle Epoxide (2-(4-Methoxybenzyl)oxiran und 2-(4-Methoxyphenyl)-3-methyloxiran) erhalten wurden, die mittels 1H-NMR-, 13C-NMR- und FT-IR-Spektroskopie sowie mit DSC untersucht wurden. Die Photo-DSC Untersuchung der Epoxidmonomere in einer kationischen Photopolymerisation bei 40 °C ergab die maximale Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax: 0,005 s-1 bis 0,038 s-1) sowie die Zeit (tmax: 13 s bis 26 s) bis zum Erreichen des Rpmax-Wertes und führte zu flüssigen Oligomeren, deren zahlenmittlerer Polymerisationsgrad mit 3 bis 6 mittels GPC bestimmt wurde. Die Umsetzung von 2-Methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyldodecanoat mit Methacrylsäure ergab ein Isomerengemisch (2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat und 2-Methoxy-4-(2-(methacryl-oyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat), das mittels Photo-DSC in einer freien radikalischen Photopolymerisation untersucht wurde (Rpmax: 0,105 s-1 und tmax: 5 s), die zu festen in Chloroform unlöslichen Polymeren führte. Aus Korkpulver und gemahlener Birkenrinde wurden selektiv 2 kristalline ω-Hydroxyfettsäuren (9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure und 22-Hydroxydocosansäure) isoliert. Die kationische Photopolymerisation der 9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure ergab einen nahezu farblosen transparenten und bei Raumtemperatur elastischen Film, welcher ein Anwendungspotential für Oberflächenbeschichtungen hat. Aus der Reaktion von 9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure mit Methacrylsäure wurde ein bei Raumtemperatur flüssiges Gemisch aus zwei Konstitutionsisomeren (9,18-Dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecansäure und 9-(Methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure) erhalten (Tg: -60 °C). Die radikalische Photopolymerisation dieser Konstitutionsisomere wurde ebenfalls mittels Photo-DSC untersucht (Rpmax: 0,098 s-1 und tmax: 3,8 s). Die Reaktion von 22-Hydroxydocosansäure mit Methacryloylchlorid ergab die kristalline 22-(Methacryloyloxy)docosansäure, welche ebenfalls in einer radikalischen Photopolymerisation mittels Photo-DSC untersucht wurde (Rpmax: 0,023 s-1 und tmax: 9,6 s). Die mittels AIBN in Dimethylsulfoxid initiierte Homopolymerisation der 22-(Methacryloyloxy)docosansäure und der Isomerengemische bestehend aus 2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat und 2-Methoxy-4-(2-(methacryl-oyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat sowie aus 9,18-Dihydroxy-10-(methacryloy-loxy)octadecansäure und 9-(Methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure ergab feste lösliche Polymere, die mittels 1H-NMR- und FT-IR-Spektroskopie, GPC (Poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat): Pn = 94) und DSC (Poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat): Tg: 52 °C; Poly(9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)-octadecansäure / 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure): Tg: 10 °C; Poly(22-(methacryloyloxy)docosansäure): Tm: 74,1 °C, wobei der Schmelzpunkt mit dem des Photopolymers (Tm = 76,8 °C) vergleichbar ist) charakterisiert wurden. Das bereits bekannte Monomer 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on wurde ausgehend von 4-(4-Hydroxyphenyl)butan-2-on hergestellt, welches aus Birkenrinde gewonnen werden kann, und unter identischen Bedingungen für einen Vergleich mit den neuen Monomeren polymerisiert. Die freie radikalische Polymerisation führte zu Poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-on) (Pn: 214 und Tg: 83 °C). Neben der Homopolymerisation wurde eine statistische Copolymerisation des Isomerengemisches 2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryl-oyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-Methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)-phenyldodecanoat mit 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on untersucht, wobei ein äquimolarer Einsatz der Ausgangsmonomere zu einem Anstieg der Ausbeute, der Molmassenverteilung und der Dispersität des Copolymers (Tg: 44 °C) führte. Die unter Verwendung von Diethylcarbonat als „grünes“ Lösungsmittel mittels AIBN initiierten freien radikalischen Homopolymerisationen von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on und von Laurylmethacrylat ergaben vergleichbare Polymerisationsgrade der Homopolymere (Pn: 150), welche jedoch aufgrund ihrer Strukturunterschiede deutlich unterschiedliche Glasübergangstemperaturen hatten (Poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-on): Tg: 70 °C, Poly(laurylmethacrylat) Tg: -49 °C. Eine statistische Copolymerisation äquimolarer Stoffmengen der beiden Monomere in Diethylcarbonat führte bei einer Polymerisationszeit von 60 Minuten zu einem leicht bevorzugten Einbau des 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on in das Copolymer (Tg: 17 °C). Copolymerisationsdiagramme für die freien radikalischen Copolymerisationen von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on mit n-Butylmethacrylat beziehungsweise 2-(Dimethylamino)ethylmethacrylat (t: 20 min bis 60 min; Molenbrüche (X) für 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on: 0,2; 0,4; 0,6 und 0,8) zeigten ein nahezu ideales azeotropes Copolymerisationsverhalten, obwohl ein leicht bevorzugter Einbau von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on in das jeweilige Copolymer beobachtet wurde. Dabei korreliert ein Anstieg der Ausbeute und der Glasübergangstemperatur der erhaltenen Copolymere mit einem zunehmenden Gehalt an 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on im Reaktionsgemisch. Die unter Einsatz der modifizierten Gibbs-DiMarzio-Gleichung berechneten Glasübergangstemperaturen der Copolymere stimmten mit den gemessenen Werten gut überein. Das ist eine gute Ausgangsbasis für die Bestimmung der Glasübergangstemperatur eines Copolymers mit einer beliebigen Zusammensetzung. N2 - The subject of this work is the synthesis and polymerization of monomers based on renewable material e. g. commercially available phenylpropanoides (eugenol, iso-eugenol, cinnamyl alcohol, anethol, and estragol) containing in spices and essential oils, the terpenoid myrtenol, as well as material derived from the bark of a birch (Betula pendula) and cork oak (Quercus suber). Selected phenylpropanoides (eugenol, iso-eugenol and cinnamyl alcohol) and the terpenoid myrtenol were first transferred to the lauryl ester followed by epoxidation of the olefinic structure to yield 4 new (2-methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)-phenyl dodecanoate, 2-methoxy-4-(3-methyloxiran-2-yl)phenyl dodecanoate, (3-phenyloxiran-2-yl)methyl dodecanoate, (7,7-dimethyl-3-oxatricyclo[4.1.1.02,4]octan-2-yl)methyl dodecanoate) and 2 already known monofunctional epoxides (2-(4-methoxybenzyl)oxirane and 2-(4-methoxy-phenyl)-3-methyloxirane), which were investigated using 1H-NMR-, 13C-NMR- and FT-IR- spectroscopy, and DSC. Photo-DSC investigation of the cationic polymerization of the epoxy monomers at 40 °C revealed the maximum polymerization rate (Rpmax: 0,005 s-1 to 0,038 s-1) and the time (tmax: 13 s to 26 s) to obtain the Rpmax value. Liquid oligomers were obtained with a number average degree of polymerization between 3 and 6, as determined by GPC. The reaction of 2-methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyl dodecanoate with methacrylic acid resulted in a mixture of isomers (2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)-phenyl dodecanoate and 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoate). Free radical photopolymerization of this isomeric mixture, studied by photo-DSC (Rpmax: 0,105 s-1 and tmax: 5 s), resulted in solid polymers that were insoluble in chloroform. Two crystalline ω-hydroxy fatty acids (9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid and 22-hydroxydocosanoic acid) were selectively isolated from cork powder and powdered birch bark. The cationic photopolymerization of 9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid resulted in a nearly colorless transparent film that was elastic at room temperature. Therefore, it has an application potential in the manufacture of coatings. The reaction of 9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid with methacrylic acid resulted in a mixture of two constitutional isomers (9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecanoic acid and 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid), which is liquid at room temperature (Tg: -60 °C). The radical photopolymerization of these constitutional isomers was also studied by photo-DSC (Rpmax: 0,098 s-1 and tmax: 3,8 s). The reaction of 22-hydroxydocosanoic acid with methacryloyl chloride yielded crystalline 22-(methacryloyloxy)docosanoic acid, which was studied by photo-DSC in a radical photopolymerization (Rpmax: 0,023 s-1 and tmax: 9,6 s). The homopolymerization of both 22-(methacryloyloxy)docosanoic acid and the isomeric mixtures consisting of 2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate and 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoat as well as 9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecanoic acid and 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid resulted in solid soluble polymers, which were characterized by 1H-NMR- and FT-IR-spectroscopy, GPC (poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxy-propyl)phenyl dodecanoate): Pn = 94), and DSC (poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxy-propyl)phenyl dodecanoate): Tg: 52 °C; poly(9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)-octadecanoic acid / 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid): Tg: 10 °C; poly(22-(methacryloyloxy)docosanoic acid): Tm: 74,1 °C, this melting temperature is comparable to that of the photopolymer (Tm = 76,8 °C)). The already known monomer 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butane-2-one was synthesized from 4-(4-hydroxyphenyl)butan-2-one obtained from birch bark and polymerized under identical conditions for comparison with the new monomers. The free radical polymerization resulted in poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one) (Pn: 214 and Tg: 83 °C). Besides the homopolymerization, a random copolymerization of the 2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyl-oxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoate isomer mixture with 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one was also investigated, which resulted in an increase in the yield, molecular weight distribution and dispersity of the copolymer (Tg: 44 °C) at a stoichiometric ratio of the monomers. The application of diethyl carbonate as „green“ solvent in the free radical homopolymerization of both 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one and lauryl methacrylate initiated with AIBN resulted in a comparable degree of polymerization of the homopolymers obtained (Pn: 150). However, due to the structural differences of the monomer segments, different glass transition temperatures were obtained for poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one) (Tg: 70 °C) and poly(lauryl methacrylate) (Tg: -49 °C). A random copolymerization of a stoichiometric ratio of the monomers in diethyl carbonate resulted in a slightly preferential incorporation of the 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one in the copolymer (Tg: 17 °C) after a polymerization time of 60 min. Copolymerization diagrams for free radical copolymerizations of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one with either n-butyl methacrylate or 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (t: 20 min to 60 min; molar fraction (X) for 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one: 0,2; 0,4; 0,6 and 0,8) showed an almost ideal azeotropic copolymerization behavior, although a slightly preferential incorporation of the 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one was observed in the copolymers. An increase in both yield and glass transition temperature of the copolymers obtained correlated with an increasing content on 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one in the reaction mixture. Good agreement was found between the glass transition temperatures calculated using the modified Gibbs-DiMarzio equation and the measured values for the copolymers. This is a good basis for determining the glass transition temperature of a copolymer of any composition. KW - photoinitiierte kationische Polymerisation KW - Epoxide KW - epoxidierte Phenylpropanoide KW - epoxidierte Terpene KW - Copolymerisationsdiagramme KW - freie radikalische Polymerisation KW - Glasübergangstemperaturen KW - Methacrylate KW - Molmassen KW - statistische Copolymere KW - 9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure KW - biobasierte Methacrylate KW - biobasierte Monomere KW - nachwachsende Rohstoffe KW - 22-Hydroxydocosansäure KW - photoinitiierte Polymerisation KW - Polymerisation KW - Betula pendula KW - Quercus suber KW - Birke KW - Korkeiche KW - Biomasse KW - Birkenrinde KW - grüne Chemie KW - Polymere KW - photoinitiierte freie radikalische Polymerisation KW - 22-hydroxydocosanoic acid KW - 9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid KW - Betula pendula KW - biomass KW - birch KW - birch bark KW - copolymerization diagrams KW - Epoxides KW - Glass transition temperatures KW - Cork oak KW - Methacrylates KW - Molar masses KW - polymers KW - polymerization KW - Quercus suber KW - bio-based methacrylates KW - bio-based monomers KW - epoxidized phenylpropanoids KW - epoxidized terpenes KW - free radical polymerization KW - green chemistry KW - renewable raw materials KW - photoinitiated polymerization KW - photoinitiated free radical KW - photoinitiated cationic polymerization KW - random copolymers KW - photopolymerization KW - Baumrinde KW - Rinde KW - tree bark KW - bark KW - Photopolymerisation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-637943 ER - TY - THES A1 - Pfalz, Gregor T1 - Advancing knowledge of Arctic lake system dynamics: A data-driven perspective on spatiotemporal patterns T1 - Fortschritte im Verständnis der Dynamik arktischer Seesysteme: Eine datengetriebene Perspektive auf raumzeitliche Muster N2 - Ecosystems play a pivotal role in addressing climate change but are also highly susceptible to drastic environmental changes. Investigating their historical dynamics can enhance our understanding of how they might respond to unprecedented future environmental shifts. With Arctic lakes currently under substantial pressure from climate change, lessons from the past can guide our understanding of potential disruptions to these lakes. However, individual lake systems are multifaceted and complex. Traditional isolated lake studies often fail to provide a global perspective because localized nuances—like individual lake parameters, catchment areas, and lake histories—can overshadow broader conclusions. In light of these complexities, a more nuanced approach is essential to analyze lake systems in a global context. A key to addressing this challenge lies in the data-driven analysis of sedimentological records from various northern lake systems. This dissertation emphasizes lake systems in the northern Eurasian region, particularly in Russia (n=59). For this doctoral thesis, we collected sedimentological data from various sources, which required a standardized framework for further analysis. Therefore, we designed a conceptual model for integrating and standardizing heterogeneous multi-proxy data into a relational database management system (PostgreSQL). Creating a database from the collected data enabled comparative numerical analyses between spatially separated lakes as well as between different proxies. When analyzing numerous lakes, establishing a common frame of reference was crucial. We achieved this by converting proxy values from depth dependency to age dependency. This required consistent age calculations across all lakes and proxies using one age-depth modeling software. Recognizing the broader implications and potential pitfalls of this, we developed the LANDO approach ("Linked Age and Depth Modelling"). LANDO is an innovative integration of multiple age-depth modeling software into a singular, cohesive platform (Jupyter Notebook). Beyond its ability to aggregate data from five renowned age-depth modeling software, LANDO uniquely empowers users to filter out implausible model outcomes using robust geoscientific data. Our method is not only novel but also significantly enhances the accuracy and reliability of lake analyses. Considering the preceding steps, this doctoral thesis further examines the relationship between carbon in sediments and temperature over the last 21,000 years. Initially, we hypothesized a positive correlation between carbon accumulation in lakes and modelled paleotemperature. Our homogenized dataset from heterogeneous lakes confirmed this association, even if the highest temperatures throughout our observation period do not correlate with the highest carbon values. We assume that rapid warming events contribute more to high accumulation, while sustained warming leads to carbon outgassing. Considering the current high concentration of carbon in the atmosphere and rising temperatures, ongoing climate change could cause northern lake systems to contribute to a further increase in atmospheric carbon (positive feedback loop). While our findings underscore the reliability of both our standardized data and the LANDO method, expanding our dataset might offer even greater assurance in our conclusions. N2 - Ökosysteme spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des Klimawandels, gelten jedoch auch als äußerst anfällig für drastische Umweltveränderungen. Die Erforschung ihrer historischen Dynamiken kann unser Verständnis darüber verbessern, wie sich zukünftige Veränderungen angesichts beispielloser Umweltveränderungen auf sie auswirken können. Angesichts des enormen Stresses, dem arktische Seen durch den Klimawandel ausgesetzt sind, können konkrete Fälle aus der Vergangenheit helfen, mögliche Schwankungen im Ökosystem des Sees besser zu verstehen und zu deuten. Einzelne Seesysteme unterliegen jedoch einer inhärenten Komplexität und vielschichtigen Beschaffenheit. Klassische Einzelanalysen von Seen liefern oft keine globale Perspektive, da lokale Besonderheiten – wie individuelle Seeparameter, Einzugsgebiete und Seehistorien – allgemeinere Schlussfolgerungen überlagern können. Eine differenzierte Herangehensweise ist hierbei erforderlich, um Seesysteme im globalen Kontext angemessen zu analysieren. Ein Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die datenwissenschaftliche Analyse von sedimentologischen Daten aus mehreren nördlichen Seesystemen. Diese Dissertation fokussiert sich dabei auf das Gebiet des nördlichen Eurasiens mit einem besonderen Fokus auf Seesystem in Russland (n=59). Die gesammelten sedimentologischen Daten für diese Doktorarbeit mussten hierfür zunächst standardisiert und homogenisiert werden. Hierfür wurde ein konzeptuelles Modell für die Integration und Standardisierung von heterogenen Multi-Proxy-Daten in ein relationales Datenbankverwaltungssystem (PostgreSQL) entworfen. Die Erstellung einer Datenbank aus der gesammelten Datenkollektion ermöglichte die numerische, vergleichende Analyse zwischen räumlich getrennten Seen als auch zwischen verschiedenen Proxys. Eine Analyse von mehreren Seen erforderte zudem eine gemeinsame Analyseebene, welche wir durch die Umwandlung von einer Tiefenabhängigkeit zu Altersabhängigkeit der Proxywerte erreichten. Diese bedurfte aber, dass die zugehörigen Alter von Proxywerte von allen Seen mit demselben Verfahren einer Alterstiefenmodellsoftware berechnet werden müssen. Angesichts der weitreichenden Implikationen und potenziellen Fallstricke entwickelten wir den LANDO-Ansatz („Linked Age and Depth Modelling“). LANDO stellt eine innovative Integration mehrerer Alters-Tiefen-Modellierungssoftware in eine einheitliche, kohärente Plattform (Jupyter Notebook) dar. Neben seiner Fähigkeit, Daten von fünf renommierten Alters-Tiefen-Modellierungssoftware zu aggregieren, ermöglicht LANDO es den Nutzern auf einzigartige Weise, unbegründete Modellergebnisse anhand robuster geowissenschaftlicher Daten herauszufiltern. Unsere Methode ist nicht nur neuartig, sondern steigert auch signifikant die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Seeanalysen. Schlussendlich unter Berücksichtigung der vorangegangenen Schritte betrachtet die Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen Kohlenstoff in Sedimenten und Temperatur über die letzten 21 000 Jahre. Zunächst nehmen wir an, dass es eine positive Korrelation zwischen Kohlenstoffakkumulation in Seen und modellierter Paläo-Temperatur gibt. Diese kann dank des homogenisierten Datensatzes von heterogenen Seen bestätigt werden, wenn auch die höchsten Temperaturen über unseren Betrachtungszeitraum nicht korrelieren mit den höchsten Kohlenstoffwerten. Wir gehen davon aus, dass schnelle Erwärmungsereignisse eher zu einer hohen Akkumulation beitragen, während bestehende Erwärmung eher zu einer Ausgasung von Kohlenstoff führt. In Anbetracht der aktuellen hohen Konzentration von Kohlenstoff in der Atmosphäre und der steigenden Temperaturen, können bei einem weiterführenden Klimawandel nördliche Seesysteme zu einem weiteren Anstieg von atmosphärischem Kohlenstoff führen (positive Feedbackschleife). Obwohl die bemerkenswerten Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz aus standardisierten Daten und LANDO zuverlässig ist, könnte eine größere Datenmenge das Vertrauen in die Ergebnisse noch weiter stärken. KW - Arcitc KW - lake systems KW - paleotemperature KW - carbon KW - climate data science KW - Paläolimnologie KW - Eurasien KW - Paläoklimatologie KW - Seesedimente KW - Klimadatenwissenschaften KW - Kohlenstoff Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636554 ER - TY - THES A1 - Damseaux, Adrien T1 - Improving permafrost dynamics in land surface models: insights from dual sensitivity experiments T1 - Verbesserung der Permafrostdynamik in Landoberflächenmodellen: Erkenntnisse aus doppelten Sensitivitätsexperimenten N2 - The thawing of permafrost and the subsequent release of greenhouse gases constitute one of the most significant and uncertain positive feedback loops in the context of climate change, making predictions regarding changes in permafrost coverage of paramount importance. To address these critical questions, climate scientists have developed Land Surface Models (LSMs) that encompass a multitude of physical soil processes. This thesis is committed to advancing our understanding and refining precise representations of permafrost dynamics within LSMs, with a specific focus on the accurate modeling of heat fluxes, an essential component for simulating permafrost physics. The first research question overviews fundamental model prerequisites for the representation of permafrost soils within land surface modeling. It includes a first-of-its-kind comparison between LSMs in CMIP6 to reveal their differences and shortcomings in key permafrost physics parameters. Overall, each of these LSMs represents a unique approach to simulating soil processes and their interactions with the climate system. Choosing the most appropriate model for a particular application depends on factors such as the spatial and temporal scale of the simulation, the specific research question, and available computational resources. The second research question evaluates the performance of the state-of-the-art Community Land Model (CLM5) in simulating Arctic permafrost regions. Our approach overcomes traditional evaluation limitations by individually addressing depth, seasonality, and regional variations, providing a comprehensive assessment of permafrost and soil temperature dynamics. I compare CLM5's results with three extensive datasets: (1) soil temperatures from 295 borehole stations, (2) active layer thickness (ALT) data from the Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM), and (3) soil temperatures, ALT, and permafrost extent from the ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). The results show that CLM5 aligns well with ESA-CCI and CALM for permafrost extent and ALT but reveals a significant global cold temperature bias, notably over Siberia. These results echo a persistent challenge identified in numerous studies: the existence of a systematic 'cold bias' in soil temperature over permafrost regions. To address this challenge, the following research questions propose dual sensitivity experiments. The third research question represents the first study to apply a Plant Functional Type (PFT)-based approach to derive soil texture and soil organic matter (SOM), departing from the conventional use of coarse-resolution global data in LSMs. This novel method results in a more uniform distribution of soil organic matter density (OMD) across the domain, characterized by reduced OMD values in most regions. However, changes in soil texture exhibit a more intricate spatial pattern. Comparing the results to observations reveals a significant reduction in the cold bias observed in the control run. This method shows noticeable improvements in permafrost extent, but at the cost of an overestimation in ALT. These findings emphasize the model's high sensitivity to variations in soil texture and SOM content, highlighting the crucial role of soil composition in governing heat transfer processes and shaping the seasonal variation of soil temperatures in permafrost regions. Expanding upon a site experiment conducted in Trail Valley Creek by \citet{dutch_impact_2022}, the fourth research question extends the application of the snow scheme proposed by \citet{sturm_thermal_1997} to cover the entire Arctic domain. By employing a snow scheme better suited to the snow density profile observed over permafrost regions, this thesis seeks to assess its influence on simulated soil temperatures. Comparing this method to observational datasets reveals a significant reduction in the cold bias that was present in the control run. In most regions, the Sturm run exhibits a substantial decrease in the cold bias. However, there is a distinctive overshoot with a warm bias observed in mountainous areas. The Sturm experiment effectively addressed the overestimation of permafrost extent in the control run, albeit resulting in a substantial reduction in permafrost extent over mountainous areas. ALT results remain relatively consistent compared to the control run. These outcomes align with our initial hypothesis, which anticipated that the reduced snow insulation in the Sturm run would lead to higher winter soil temperatures and a more accurate representation of permafrost physics. In summary, this thesis demonstrates significant advancements in understanding permafrost dynamics and its integration into LSMs. It has meticulously unraveled the intricacies involved in the interplay between heat transfer, soil properties, and snow dynamics in permafrost regions. These insights offer novel perspectives on model representation and performance. N2 - Das Auftauen von Permafrost und die anschließende Freisetzung von Treibhausgasen stellen eine der bedeutendsten und unsichersten positiven Rückkopplungsschleifen im Kontext des Klimawandels dar, was Vorhersagen über Veränderungen der Permafrostverbreitung von größter Bedeutung macht. Um diese kritischen Fragen zu adressieren, haben Klimawissenschaftler Landoberflächenmodelle (LSMs) entwickelt, die eine Vielzahl physikalischer Bodenprozesse umfassen. Diese Dissertation widmet sich der Vertiefung unseres Verständnisses und der Verfeinerung präziser Darstellungen der Permafrostdynamik innerhalb von LSMs, mit einem besonderen Fokus auf die genaue Modellierung von Wärmeflüssen, einem wesentlichen Bestandteil der Simulation von Permafrostphysik. Die erste Forschungsfrage gibt einen Überblick über grundlegende Modellanforderungen für die Darstellung von Permafrostböden innerhalb der Landoberflächenmodellierung. Sie beinhaltet einen erstmaligen Vergleich zwischen LSMs im Rahmen von CMIP6, um deren Unterschiede und Schwächen in den Schlüsselparametern der Permafrostphysik aufzuzeigen. Insgesamt repräsentiert jedes dieser LSMs einen einzigartigen Ansatz zur Simulation von Bodenprozessen und deren Wechselwirkungen mit dem Klimasystem. Die Wahl des am besten geeigneten Modells für eine bestimmte Anwendung hängt von Faktoren wie dem räumlichen und zeitlichen Maßstab der Simulation, der spezifischen Forschungsfrage und den verfügbaren Rechenressourcen ab. Die zweite Forschungsfrage bewertet die Leistungsfähigkeit des hochmodernen Community Land Model (CLM5) bei der Simulation arktischer Permafrostregionen. Unser Ansatz überwindet traditionelle Evaluationsbeschränkungen, indem er Tiefe, Saisonalität und regionale Variationen einzeln berücksichtigt und eine umfassende Bewertung der Permafrost- und Bodentemperaturdynamik liefert. Ich vergleiche die Ergebnisse von CLM5 mit drei umfangreichen Datensätzen: (1) Bodentemperaturen von 295 Bohrlochstationen, (2) Daten zur aktiven Schichtdicke (ALT) aus dem Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM) und (3) Bodentemperaturen, ALT und Permafrostausdehnung aus der ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). Die Ergebnisse zeigen, dass CLM5 gut mit ESA-CCI und CALM für Permafrostausdehnung und ALT übereinstimmt, jedoch eine signifikante globale kalte Temperaturabweichung aufweist, insbesondere über Sibirien. Diese Ergebnisse spiegeln eine anhaltende Herausforderung wider, die in zahlreichen Studien identifiziert wurde: das Vorhandensein einer systematischen "kalten Abweichung" bei Bodentemperaturen in Permafrostregionen. Um diese Herausforderung anzugehen, schlagen die folgenden Forschungsfragen duale Sensitivitätsexperimente vor. Die dritte Forschungsfrage stellt die erste Studie dar, die einen pflanzenfunktionstypbasierten Ansatz (PFT) zur Ableitung von Bodentextur und organischer Bodensubstanz (SOM) anwendet und sich von der herkömmlichen Verwendung grob aufgelöster globaler Daten in LSMs abwendet. Diese neuartige Methode führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Dichte organischer Bodensubstanz (OMD) im gesamten Bereich, gekennzeichnet durch geringere OMD-Werte in den meisten Regionen. Veränderungen in der Bodentextur zeigen jedoch ein komplexeres räumliches Muster. Der Vergleich der Ergebnisse mit Beobachtungen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf beobachtet wurde. Diese Methode zeigt bemerkenswerte Verbesserungen in der Permafrostausdehnung, jedoch auf Kosten einer Überschätzung der ALT. Diese Ergebnisse unterstreichen die hohe Empfindlichkeit des Modells gegenüber Variationen in der Bodentextur und dem SOM-Gehalt und heben die entscheidende Rolle der Bodenbeschaffenheit bei der Steuerung der Wärmeübertragungsprozesse und der saisonalen Variation der Bodentemperaturen in Permafrostregionen hervor. Aufbauend auf einem Standortexperiment im Trail Valley Creek von Dutch et al. (2022) erweitert die vierte Forschungsfrage die Anwendung des von Sturm et al. (1997) vorgeschlagenen Schneeschemas auf das gesamte arktische Gebiet. Durch die Anwendung eines Schneeschemas, das besser zu dem in Permafrostregionen beobachteten Schneedichteprofil passt, versucht diese Dissertation, dessen Einfluss auf die simulierten Bodentemperaturen zu bewerten. Der Vergleich dieser Methode mit Beobachtungsdatensätzen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf vorhanden war. In den meisten Regionen weist der Sturm-Lauf eine erhebliche Verringerung der kalten Abweichung auf. Es gibt jedoch eine deutliche Überschreitung mit einer warmen Abweichung in Bergregionen. Das Sturm-Experiment hat die Überschätzung der Permafrostausdehnung im Kontrolllauf wirksam angegangen, was jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der Permafrostausdehnung in Bergregionen führte. Die ALT-Ergebnisse bleiben im Vergleich zum Kontrolllauf relativ konsistent. Diese Ergebnisse entsprechen unserer ursprünglichen Hypothese, die erwartete, dass die reduzierte Schneedecke im Sturm-Lauf zu höheren Winterbodentemperaturen und einer genaueren Darstellung der Permafrostphysik führen würde. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation bedeutende Fortschritte im Verständnis der Permafrostdynamik und deren Integration in LSMs. Sie hat die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Wärmeübertragung, Bodeneigenschaften und Schneedynamik in Permafrostregionen sorgfältig entschlüsselt. Diese Erkenntnisse bieten neue Perspektiven auf die Modellierung und Leistung von Modellen. KW - snow thermal conductivity KW - soil organic matter KW - model validation KW - Modellvalidierung KW - Wärmeleitfähigkeit von Schnee KW - organische Bodensubstanz Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639450 ER - TY - THES A1 - Benz, Eleanor T1 - The advisory function of the Inter-American Court of Human Rights T2 - Beiträge zum ausländischen öffentlichen Recht und Völkerrecht N2 - How do the rights of same-sex couples have to be ensured by states, and which kind of environmental obligations are induced by the right to life and to personal integrity? Questions as diverse and far-reaching as these are regularly dealt with by the Inter-American Court of Human Rights in its advisory function. This book is the first comprehensive, non-Spanish-written treatise on the advisory function of this Court. It analyzes the scope of the Court's advisory jurisdiction and its procedural practice in comparison with that of other international courts. Moreover, the legal effects of the Court’s advisory opinions and the question when the Court should better reject a request for an advisory opinion are examined. N2 - Wie müssen die Rechte gleichgeschlechtlicher Paare sichergestellt werden und welche umweltrechtlichen Verpflichtungen folgen aus dem Recht auf Leben und auf körperliche Unversehrtheit? Mit so unterschiedlichen und weitreichenden Fragen wie diesen befasst sich der Interamerikanische Gerichtshof für Menschenrechte regelmäßig im Rahmen seiner Gutachtenfunktion. Das Buch stellt die erste umfassende, nicht-spanischsprachige Abhandlung dieser Gutachtenfunktion dar. Es analysiert den Umfang der Gutachtenjurisdiktion und die Verfahrenspraxis des Gerichtshofs im Vergleich mit der anderer internationaler Gerichtshöfe. Außerdem wird die rechtliche Wirkung der Gutachten und die Frage, wann der Gerichtshof Gutachtenanfragen ablehnen sollte, untersucht. KW - right to life Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.5771/9783748919803 SN - 978-3-7489-1980-3 SN - 978-3-7560-1443-9 VL - 329 PB - Nomos CY - Baden-Baden ER - TY - THES A1 - Duchrau, Georg T1 - Möglichkeiten und Grenzen des erweiterten Cross Parity Codes Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Koyan, Philipp T1 - 3D attribute analysis and classification to interpret ground-penetrating radar (GPR) data collected across sedimentary environments: Synthetic studies and field examples T1 - 3D Attributanalyse und -klassifizierung zur Interpretation von Georadar-Daten in sedimentären Umgebungen: Synthetische Studien und Feldbeispiele N2 - Die Untersuchung des oberflächennahen Untergrundes erfolgt heutzutage bei Frage- stellungen aus den Bereichen des Bauwesens, der Archäologie oder der Geologie und Hydrologie oft mittels zerstörungsfreier beziehungsweise zerstörungsarmer Methoden der angewandten Geophysik. Ein Bereich, der eine immer zentralere Rolle in Forschung und Ingenieurwesen einnimmt, ist die Untersuchung von sedimentären Umgebungen, zum Beispiel zur Charakterisierung oberflächennaher Grundwassersysteme. Ein in diesem Kontext häufig eingesetztes Verfahren ist das des Georadars (oftmals GPR - aus dem Englischen ground-penetrating radar). Dabei werden kurze elektromagnetische Impulse von einer Antenne in den Untergrund ausgesendet, welche dort wiederum an Kontrasten der elektromagnetischen Eigenschaften (wie zum Beispiel an der Grundwasseroberfläche) reflektiert, gebrochen oder gestreut werden. Eine Empfangsantenne zeichnet diese Signale in Form derer Amplituden und Laufzeiten auf. Eine Analyse dieser aufgezeichneten Signale ermöglicht Aussagen über den Untergrund, beispielsweise über die Tiefenlage der Grundwasseroberfläche oder die Lagerung und Charakteristika oberflächennaher Sedimentschichten. Dank des hohen Auflösungsvermögens der GPR-Methode sowie stetiger technologischer Entwicklungen erfolgt heutzutage die Aufzeichnung von GPR- Daten immer häufiger in 3D. Trotz des hohen zeitlichen und technischen Aufwandes für die Datenakquisition und -bearbeitung werden die resultierenden 3D-Datensätze, welche den Untergrund hochauflösend abbilden, typischerweise von Hand interpretiert. Dies ist in der Regel ein äußerst zeitaufwendiger Analyseschritt. Daher werden oft repräsentative 2D-Schnitte aus dem 3D-Datensatz gewählt, in denen markante Reflektionsstrukuren markiert werden. Aus diesen Strukturen werden dann sich ähnelnde Bereiche im Untergrund als so genannte Radar-Fazies zusammengefasst. Die anhand von 2D-Schnitten erlangten Resultate werden dann als repräsentativ für die gesamte untersuchte Fläche angesehen. In dieser Form durchgeführte Interpretationen sind folglich oft unvollständig sowie zudem in hohem Maße von der Expertise der Interpretierenden abhängig und daher in der Regel nicht reproduzierbar. Eine vielversprechende Alternative beziehungsweise Ergänzung zur manuellen In- terpretation ist die Verwendung von so genannten GPR-Attributen. Dabei werden nicht die aufgezeichneten Daten selbst, sondern daraus abgeleitete Größen, welche die markanten Reflexionsstrukturen in 3D charakterisieren, zur Interpretation herangezogen. In dieser Arbeit wird anhand verschiedener Feld- und Modelldatensätze untersucht, welche Attribute sich dafür insbesondere eignen. Zudem zeigt diese Arbeit, wie ausgewählte Attribute mittels spezieller Bearbeitungs- und Klassifizierungsmethoden zur Erstellung von 3D-Faziesmodellen genutzt werden können. Dank der Möglichkeit der Erstellung so genannter attributbasierter 3D-GPR-Faziesmodelle können zukünftige Interpretationen zu gewissen Teilen automatisiert und somit effizienter durchgeführt werden. Weiterhin beschreiben die so erhaltenen Resultate den untersuchten Untergrund in reproduzierbarer Art und Weise sowie umfänglicher als es bisher mittels manueller Interpretationsmethoden typischerweise möglich war. N2 - Today, near-surface investigations are frequently conducted using non-destructive or minimally invasive methods of applied geophysics, particularly in the fields of civil engineering, archaeology, geology, and hydrology. One field that plays an increasingly central role in research and engineering is the examination of sedimentary environments, for example, for characterizing near-surface groundwater systems. A commonly employed method in this context is ground-penetrating radar (GPR). In this technique, short electromagnetic pulses are emitted into the subsurface by an antenna, which are then reflected, refracted, or scattered at contrasts in electromagnetic properties (such as the water table). A receiving antenna records these signals in terms of their amplitudes and travel times. Analysis of the recorded signals allows for inferences about the subsurface, such as the depth of the groundwater table or the composition and characteristics of near-surface sediment layers. Due to the high resolution of the GPR method and continuous technological advancements, GPR data acquisition is increasingly performed in three-dimensional (3D) fashion today. Despite the considerable temporal and technical efforts involved in data acquisition and processing, the resulting 3D data sets (providing high-resolution images of the subsurface) are typically interpreted manually. This is generally an extremely time-consuming analysis step. Therefore, representative 2D sections highlighting distinctive reflection structures are often selected from the 3D data set. Regions showing similar structures are then grouped into so-called radar facies. The results obtained from 2D sections are considered representative of the entire investigated area. Interpretations conducted in this manner are often incomplete and highly dependent on the expertise of the interpreters, making them generally non-reproducible. A promising alternative or complement to manual interpretation is the use of GPR attributes. Instead of using the recorded data directly, derived quantities characterizing distinctive reflection structures in 3D are applied for interpretation. Using various field and synthetic data sets, this thesis investigates which attributes are particularly suitable for this purpose. Additionally, the study demonstrates how selected attributes can be utilized through specific processing and classification methods to create 3D facies models. The ability to generate attribute-based 3D GPR facies models allows for partially automated and more efficient interpretations in the future. Furthermore, the results obtained in this manner describe the subsurface in a reproducible and more comprehensive manner than what has typically been achievable through manual interpretation methods. KW - ground-penetrating radar KW - sedimentary environments KW - 3D KW - applied geophysics KW - near-surface geophysics KW - Georadar KW - sedimentäre Systeme KW - angewandte Geophysik KW - oberflächennahe Geophysik KW - Attribute KW - attributes KW - geophysics KW - Geophysik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639488 ER - TY - THES A1 - Mahncke-Zare, Naghme T1 - Legitimiertes Unrecht T1 - Legitimized injustice BT - die Urteile des Obersten Gerichts zu Fällen der „Republikflucht“ und ihr Einfluss auf die Rechtspraxis der DDR 1949-1975 BT - the verdicts of the Supreme Court in cases of "desertion from the Republic" and their influence on legal practice in the GDR 1949-1975 N2 - Das Oberste Gericht der DDR war integraler Bestandteil der sozialistischen Staatsführung und unterlag strengen Denk- und Organisationsstrukturen. Es war eng in die politische Agenda der SED eingebunden und genoss keinerlei Unabhängigkeit. Die Auslegung des DDR-Rechts durch das Gericht orientierte sich ausschließlich an den innen- und außenpolitischen Interessen der SED. Dies galt auch für die Rechtsprechung in Fällen der Republikflucht und ihrer gesetzlichen Vorläufer. Die höchste Gerichtsinstanz im Staat war aktiv an der Gestaltung und Umsetzung der Strafjustiz gegen Republikflüchtige beteiligt, was wesentlich zur Festigung der Herrschaftsgewalt der SED beitrug. Die vorliegende Untersuchung analysiert Urteile des Obersten Gerichts im historisch-politischen Kontext und zeigt auf, dass die Urteilspraxis ausschließlich im Interesse parteipolitischer Ziele handelte und weder dem Volk noch der eigentlichen Rechtsfindung verpflichtet war. Des Weiteren wird der maßgebliche Beitrag des Obersten Gerichts an der schrittweisen Kriminalisierung der Bürger der DDR beleuchtet. Dies wirft ein kritisches Licht auf die Rolle des Rechtssystems bei der Sicherung von Rechtsstaatlichkeit und Menschenrechten in autoritären Regimen. N2 - The Supreme Court of the German Democratic Republic (GDR) was an integral part of the socialist state leadership and was subject to strict thought and organizational structures. It was closely integrated into the political agenda of the Socialist Unity Party of Germany (SED) and enjoyed no independence. The court's interpretation of GDR law was oriented exclusively towards the domestic and foreign policy interests of the SED, including the jurisdiction in cases of “Republikflucht” and its legal precursors. The highest court instance in the state was actively involved in the design and implementation of criminal justice against fugitives from the republic, which contributed significantly to the consolidation of the SED's power to rule. This study analyses judgments of the Supreme Court in a historical-political context and shows that the sentencing practice acted exclusively in the interests of party political goals and was neither committed to the people nor to the actual finding of justice. Moreover, the pivotal role of the Supreme Court in the gradual criminalization of citizens in the GDR is underscored. This sheds light on the critical role of the legal system in safeguarding the rule of law and human rights in authoritarian regimes. KW - DDR-Recht KW - Oberstes Gericht KW - SED-Herrschaft KW - Republiklflucht KW - Unrechtsjustiz KW - GDR law KW - supreme court of the GDR KW - SED regime KW - travel ban KW - human rights violation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635499 ER - TY - THES A1 - Lorson, Annalena T1 - Understanding early stage evolution of digital innovation units in manufacturing companies T1 - Verständnis der frühphasigen Entwicklung digitaler Innovationseinheiten in Fertigungsunternehmen N2 - The dynamic landscape of digital transformation entails an impact on industrial-age manufacturing companies that goes beyond product offerings, changing operational paradigms, and requiring an organization-wide metamorphosis. An initiative to address the given challenges is the creation of Digital Innovation Units (DIUs) – departments or distinct legal entities that use new structures and practices to develop digital products, services, and business models and support or drive incumbents’ digital transformation. With more than 300 units in German-speaking countries alone and an increasing number of scientific publications, DIUs have become a widespread phenomenon in both research and practice. This dissertation examines the evolution process of DIUs in the manufacturing industry during their first three years of operation, through an extensive longitudinal single-case study and several cross-case syntheses of seven DIUs. Building on the lenses of organizational change and development, time, and socio-technical systems, this research provides insights into the fundamentals, temporal dynamics, socio-technical interactions, and relational dynamics of a DIU’s evolution process. Thus, the dissertation promotes a dynamic understanding of DIUs and adds a two-dimensional perspective to the often one-dimensional view of these units and their interactions with the main organization throughout the startup and growth phases of a DIU. Furthermore, the dissertation constructs a phase model that depicts the early stages of DIU evolution based on these findings and by incorporating literature from information systems research. As a result, it illustrates the progressive intensification of collaboration between the DIU and the main organization. After being implemented, the DIU sparks initial collaboration and instigates change within (parts of) the main organization. Over time, it adapts to the corporate environment to some extent, responding to changing circumstances in order to contribute to long-term transformation. Temporally, the DIU drives the early phases of cooperation and adaptation in particular, while the main organization triggers the first major evolutionary step and realignment of the DIU. Overall, the thesis identifies DIUs as malleable organizational structures that are crucial for digital transformation. Moreover, it provides guidance for practitioners on the process of building a new DIU from scratch or optimizing an existing one. N2 - Die digitale Transformation produzierender Unternehmen geht über die bloße Veränderung des Produktangebots hinaus; sie durchdringt operative Paradigmen und erfordert eine umfassende, unternehmensweite Metamorphose. Eine Initiative, den damit verbundenen Herausforderungen zu begegnen, ist der Aufbau einer Digital Innovation Unit (DIU) (zu deutsch: digitale Innovationseinheit) – eine Abteilung oder separate rechtliche Einheit, die neue organisationale Strukturen und Arbeitspraktiken nutzt, um digitale Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle zu entwickeln und die digitale Transformation von etabliertenUnternehmen zu unterstützen oder voranzutreiben. Mit mehr als 300 Einheitenallein im deutschsprachigen Raum und einer wachsenden Zahl wissenschaftlicher Publikationen sind DIUs sowohl in der Forschung als auch in der Praxis ein weit verbreitetes Phänomen. Auf Basis einer umfassenden Längsschnittstudie und mehrerer Querschnittsanalysen von sieben Fertigungsunternehmen und ihren DIUs untersucht diese Dissertation den Entwicklungsprozess von DIUs in den ersten drei Betriebsjahren. Gestützt auf theoretische Perspektiven zu organisatorischem Wandel, Zeit und sozio-technischen Systemen bietet sie Einblicke in die Grundlagen, die zeitlichen Dynamiken, die sozio-technischen Interaktionen und die Beziehungsdynamiken des Entwicklungsprozesses von DIUs. Die Dissertation erweitert somit das dynamische Verständnis von DIUs und fügt der oft eindimensionalen Sichtweise auf diese Einheiten und ihre Interaktionen mit der Hauptorganisation eine zweidimensionale Perspektive entlang der Gründungs- und Wachstumsphasen einer DIU hinzu. Darüber hinaus konstruiert die Dissertation ein Phasenmodell, das die frühen Phasen der DIU-Entwicklung auf der Grundlage dieser Erkenntnisse und unter Einbeziehung von Literatur aus der Wirtschaftsinformatikforschung abbildet. Es veranschaulicht die schrittweise Intensivierung der Zusammenarbeit zwischen der DIU und der Hauptorganisation. Nach ihrer Implementierung initiiert die DIU die anfängliche Zusammenarbeit und stößt Veränderungen innerhalb (von Teilen) der Hauptorganisation an. Im Laufe der Zeit passt sich die DIU bis zu einem gewissen Grad dem Unternehmensumfeld an und reagiert auf sich verändernde Umstände, um zu einer langfristigen Veränderung beizutragen. Zeitlich gesehen treibt die DIU vor allem die frühen Phasen der Zusammenarbeit und Anpassung voran, während die Hauptorganisation den ersten großen Entwicklungsschritt und die Neuausrichtung der DIU auslöst. Insgesamt identifiziert die Dissertation DIUs als anpassungsfähige Organisationsstrukturen, die für die digitale Transformation entscheidend sind. Darüber hinaus bietet sie Praktikern einen Leitfaden für den Aufbau einer neuen oder die Optimierung einer bestehenden DIU. KW - digital transformation KW - digital innovation units KW - evolution of digital innovation units KW - manufacturing companies KW - digitale Transformation KW - digitale Innovationseinheit KW - Entwicklung digitaler Innovationseinheiten KW - Fertigungsunternehmen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639141 ER - TY - THES A1 - Sharma, Shubham T1 - Integrated approaches to earthquake forecasting T1 - Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben BT - insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences BT - Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen N2 - A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault. Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard. The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies. N2 - Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird. Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist. Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen. KW - earthquake KW - forecasting KW - hazards KW - seismology KW - Erdbeben KW - Vorhersage KW - Gefahren KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125 ER - TY - THES A1 - Mostafa, Amr T1 - DNA origami nanoforks: A platform for cytochrome c single molecule surface enhanced Raman spectroscopy N2 - This thesis presents a comprehensive exploration of the application of DNA origami nanofork antennas (DONAs) in the field of spectroscopy, with a particular focus on the structural analysis of Cytochrome C (CytC) at the single-molecule level. The research encapsulates the design, optimization, and application of DONAs in enhancing the sensitivity and specificity of Raman spectroscopy, thereby offering new insights into protein structures and interactions. The initial phase of the study involved the meticulous optimization of DNA origami structures. This process was pivotal in developing nanoscale tools that could significantly enhance the capabilities of Raman spectroscopy. The optimized DNA origami nanoforks, in both dimer and aggregate forms, demonstrated an enhanced ability to detect and analyze molecular vibrations, contributing to a more nuanced understanding of protein dynamics. A key aspect of this research was the comparative analysis between the dimer and aggregate forms of DONAs. This comparison revealed that while both configurations effectively identified oxidation and spin states of CytC, the aggregate form offered a broader range of detectable molecular states due to its prolonged signal emission and increased number of molecules. This extended duration of signal emission in the aggregates was attributed to the collective hotspot area, enhancing overall signal stability and sensitivity. Furthermore, the study delved into the analysis of the Amide III band using the DONA system. Observations included a transient shift in the Amide III band's frequency, suggesting dynamic alterations in the secondary structure of CytC. These shifts, indicative of transitions between different protein structures, were crucial in understanding the protein’s functional mechanisms and interactions. The research presented in this thesis not only contributes significantly to the field of spectroscopy but also illustrates the potential of interdisciplinary approaches in biosensing. The use of DNA origami-based systems in spectroscopy has opened new avenues for research, offering a detailed and comprehensive understanding of protein structures and interactions. The insights gained from this research are expected to have lasting implications in scientific fields ranging from drug development to the study of complex biochemical pathways. This thesis thus stands as a testament to the power of integrating nanotechnology, biochemistry, and spectroscopic techniques in addressing complex scientific questions. N2 - Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung der Anwendung von DNA-Origami-Nanogabelantennen (DONAs) im Bereich der Spektroskopie, mit einem besonderen Fokus auf der strukturellen Analyse von Cytochrom C (CytC) auf Einzelmolekülebene. Die Forschung umfasst das Design, die Optimierung und die Anwendung von DONAs zur Steigerung der Sensitivität und Spezifität der Raman-Spektroskopie und bietet somit neue Einblicke in Proteinstrukturen und -interaktionen. Die erste Phase der Studie beinhaltete die sorgfältige Optimierung von DNA-Origami-Strukturen. Dieser Prozess war entscheidend für die Entwicklung von Nanowerkzeugen, die die Fähigkeiten der Raman-Spektroskopie erheblich verbessern könnten. Die optimierten DNA-Origami-Nanogabeln, sowohl in Dimer- als auch in Aggregatform, zeigten eine verbesserte Fähigkeit, molekulare Schwingungen zu detektieren und zu analysieren, was zu einem nuancierteren Verständnis der Proteindynamik beitrug. Ein Schlüsselaspekt dieser Forschung war die vergleichende Analyse zwischen den Dimer- und Aggregatformen von DONAs. Dieser Vergleich zeigte, dass beide Konfigurationen effektiv Oxidations- und Spin-Zustände von CytC identifizieren konnten, wobei die Aggregatform aufgrund ihrer längeren Signalemission und der erhöhten Anzahl von Molekülen ein breiteres Spektrum an detektierbaren molekularen Zuständen bot. Die verlängerte Dauer der Signalemission in den Aggregaten wurde auf den kollektiven Hotspot-Bereich zurückgeführt, der die Gesamtsignalstabilität und -empfindlichkeit erhöhte. Darüber hinaus ging die Studie auf die Analyse der Amid-III-Bande unter Verwendung des DONA-Systems ein. Zu den Beobachtungen gehörte eine vorübergehende Verschiebung der Frequenz der Amid-III-Bande, was auf dynamische Veränderungen in der Sekundärstruktur von CytC hindeutete. Diese Verschiebungen, die auf Übergänge zwischen verschiedenen Proteinstrukturen hindeuteten, waren entscheidend für das Verständnis der funktionellen Mechanismen und Interaktionen des Proteins. Die in dieser Dissertation präsentierte Forschung leistet nicht nur einen bedeutenden Beitrag zum Gebiet der Spektroskopie, sondern veranschaulicht auch das Potenzial interdisziplinärer Ansätze in der Biosensorik. Der Einsatz von DNA-Origami-basierten Systemen in der Spektroskopie hat neue Wege für die Forschung eröffnet und bietet ein detailliertes und umfassendes Verständnis von Proteinstrukturen und -interaktionen. Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse werden voraussichtlich langfristige Auswirkungen auf wissenschaftliche Bereiche haben, die von der Arzneimittelentwicklung bis hin zur Untersuchung komplexer biochemischer Prozesse reichen. Diese Dissertation steht somit als Zeugnis für die Kraft der Integration von Nanotechnologie, Biochemie und spektroskopischen Techniken bei der Beantwortung komplexer wissenschaftlicher Fragen. KW - DNA origami KW - DNA origami nanoantennas (DONA) KW - SERS KW - Cytochrome C Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635482 ER - TY - THES A1 - Huegle, Johannes T1 - Causal discovery in practice: Non-parametric conditional independence testing and tooling for causal discovery T1 - Kausale Entdeckung in der Praxis: Nichtparametrische bedingte Unabhängigkeitstests und Werkzeuge für die Kausalentdeckung N2 - Knowledge about causal structures is crucial for decision support in various domains. For example, in discrete manufacturing, identifying the root causes of failures and quality deviations that interrupt the highly automated production process requires causal structural knowledge. However, in practice, root cause analysis is usually built upon individual expert knowledge about associative relationships. But, "correlation does not imply causation", and misinterpreting associations often leads to incorrect conclusions. Recent developments in methods for causal discovery from observational data have opened the opportunity for a data-driven examination. Despite its potential for data-driven decision support, omnipresent challenges impede causal discovery in real-world scenarios. In this thesis, we make a threefold contribution to improving causal discovery in practice. (1) The growing interest in causal discovery has led to a broad spectrum of methods with specific assumptions on the data and various implementations. Hence, application in practice requires careful consideration of existing methods, which becomes laborious when dealing with various parameters, assumptions, and implementations in different programming languages. Additionally, evaluation is challenging due to the lack of ground truth in practice and limited benchmark data that reflect real-world data characteristics. To address these issues, we present a platform-independent modular pipeline for causal discovery and a ground truth framework for synthetic data generation that provides comprehensive evaluation opportunities, e.g., to examine the accuracy of causal discovery methods in case of inappropriate assumptions. (2) Applying constraint-based methods for causal discovery requires selecting a conditional independence (CI) test, which is particularly challenging in mixed discrete-continuous data omnipresent in many real-world scenarios. In this context, inappropriate assumptions on the data or the commonly applied discretization of continuous variables reduce the accuracy of CI decisions, leading to incorrect causal structures. Therefore, we contribute a non-parametric CI test leveraging k-nearest neighbors methods and prove its statistical validity and power in mixed discrete-continuous data, as well as the asymptotic consistency when used in constraint-based causal discovery. An extensive evaluation of synthetic and real-world data shows that the proposed CI test outperforms state-of-the-art approaches in the accuracy of CI testing and causal discovery, particularly in settings with low sample sizes. (3) To show the applicability and opportunities of causal discovery in practice, we examine our contributions in real-world discrete manufacturing use cases. For example, we showcase how causal structural knowledge helps to understand unforeseen production downtimes or adds decision support in case of failures and quality deviations in automotive body shop assembly lines. N2 - Kenntnisse über die Strukturen zugrundeliegender kausaler Mechanismen sind eine Voraussetzung für die Entscheidungsunterstützung in verschiedenen Bereichen. In der Fertigungsindustrie beispielsweise erfordert die Fehler-Ursachen-Analyse von Störungen und Qualitätsabweichungen, die den hochautomatisierten Produktionsprozess unterbrechen, kausales Strukturwissen. In Praxis stützt sich die Fehler-Ursachen-Analyse in der Regel jedoch auf individuellem Expertenwissen über assoziative Zusammenhänge. Aber "Korrelation impliziert nicht Kausalität", und die Fehlinterpretation assoziativer Zusammenhänge führt häufig zu falschen Schlussfolgerungen. Neueste Entwicklungen von Methoden des kausalen Strukturlernens haben die Möglichkeit einer datenbasierten Betrachtung eröffnet. Trotz seines Potenzials zur datenbasierten Entscheidungsunterstützung wird das kausale Strukturlernen in der Praxis jedoch durch allgegenwärtige Herausforderungen erschwert. In dieser Dissertation leisten wir einen dreifachen Beitrag zur Verbesserung des kausalen Strukturlernens in der Praxis. (1) Das wachsende Interesse an kausalem Strukturlernen hat zu einer Vielzahl von Methoden mit spezifischen statistischen Annahmen über die Daten und verschiedenen Implementierungen geführt. Daher erfordert die Anwendung in der Praxis eine sorgfältige Prüfung der vorhandenen Methoden, was eine Herausforderung darstellt, wenn verschiedene Parameter, Annahmen und Implementierungen in unterschiedlichen Programmiersprachen betrachtet werden. Hierbei wird die Evaluierung von Methoden des kausalen Strukturlernens zusätzlich durch das Fehlen von "Ground Truth" in der Praxis und begrenzten Benchmark-Daten, welche die Eigenschaften realer Datencharakteristiken widerspiegeln, erschwert. Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir eine plattformunabhängige modulare Pipeline für kausales Strukturlernen und ein Tool zur Generierung synthetischer Daten vor, die umfassende Evaluierungsmöglichkeiten bieten, z.B. um Ungenauigkeiten von Methoden des Lernens kausaler Strukturen bei falschen Annahmen an die Daten aufzuzeigen. (2) Die Anwendung von constraint-basierten Methoden des kausalen Strukturlernens erfordert die Wahl eines bedingten Unabhängigkeitstests (CI-Test), was insbesondere bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, die in vielen realen Szenarien allgegenwärtig sind, die Anwendung erschwert. Beispielsweise führen falsche Annahmen der CI-Tests oder die Diskretisierung kontinuierlicher Variablen zu einer Verschlechterung der Korrektheit der Testentscheidungen, was in fehlerhaften kausalen Strukturen resultiert. Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir einen nicht-parametrischen CI-Test vor, der auf Nächste-Nachbar-Methoden basiert, und beweisen dessen statistische Validität und Trennschärfe bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, sowie dessen asymptotische Konsistenz in constraint-basiertem kausalem Strukturlernen. Eine umfangreiche Evaluation auf synthetischen und realen Daten zeigt, dass der vorgeschlagene CI-Test bestehende Verfahren hinsichtlich der Korrektheit der Testentscheidung und gelernter kausaler Strukturen übertrifft, insbesondere bei geringen Stichprobengrößen. (3) Um die Anwendbarkeit und Möglichkeiten kausalen Strukturlernens in der Praxis aufzuzeigen, untersuchen wir unsere Beiträge in realen Anwendungsfällen aus der Fertigungsindustrie. Wir zeigen an mehreren Beispielen aus der automobilen Karosseriefertigungen wie kausales Strukturwissen helfen kann, unvorhergesehene Produktionsausfälle zu verstehen oder eine Entscheidungsunterstützung bei Störungen und Qualitätsabweichungen zu geben. KW - causal discovery KW - causal structure learning KW - causal AI KW - non-parametric conditional independence testing KW - manufacturing KW - causal reasoning KW - mixed data KW - kausale KI KW - kausale Entdeckung KW - kausale Schlussfolgerung KW - kausales Strukturlernen KW - Fertigung KW - gemischte Daten KW - nicht-parametrische bedingte Unabhängigkeitstests Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635820 ER - TY - THES A1 - Dörries, Timo Julian T1 - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models N2 - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time. We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD. The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations. Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu) with 0