TY - THES A1 - Krejca, Martin Stefan T1 - Theoretical analyses of univariate estimation-of-distribution algorithms N2 - Optimization is a core part of technological advancement and is usually heavily aided by computers. However, since many optimization problems are hard, it is unrealistic to expect an optimal solution within reasonable time. Hence, heuristics are employed, that is, computer programs that try to produce solutions of high quality quickly. One special class are estimation-of-distribution algorithms (EDAs), which are characterized by maintaining a probabilistic model over the problem domain, which they evolve over time. In an iterative fashion, an EDA uses its model in order to generate a set of solutions, which it then uses to refine the model such that the probability of producing good solutions is increased. In this thesis, we theoretically analyze the class of univariate EDAs over the Boolean domain, that is, over the space of all length-n bit strings. In this setting, the probabilistic model of a univariate EDA consists of an n-dimensional probability vector where each component denotes the probability to sample a 1 for that position in order to generate a bit string. My contribution follows two main directions: first, we analyze general inherent properties of univariate EDAs. Second, we determine the expected run times of specific EDAs on benchmark functions from theory. In the first part, we characterize when EDAs are unbiased with respect to the problem encoding. We then consider a setting where all solutions look equally good to an EDA, and we show that the probabilistic model of an EDA quickly evolves into an incorrect model if it is always updated such that it does not change in expectation. In the second part, we first show that the algorithms cGA and MMAS-fp are able to efficiently optimize a noisy version of the classical benchmark function OneMax. We perturb the function by adding Gaussian noise with a variance of σ², and we prove that the algorithms are able to generate the true optimum in a time polynomial in σ² and the problem size n. For the MMAS-fp, we generalize this result to linear functions. Further, we prove a run time of Ω(n log(n)) for the algorithm UMDA on (unnoisy) OneMax. Last, we introduce a new algorithm that is able to optimize the benchmark functions OneMax and LeadingOnes both in O(n log(n)), which is a novelty for heuristics in the domain we consider. N2 - Optimierung ist ein Hauptbestandteil technologischen Fortschritts und oftmals computergestützt. Da viele Optimierungsprobleme schwer sind, ist es jedoch unrealistisch, eine optimale Lösung in angemessener Zeit zu erwarten. Daher werden Heuristiken verwendet, also Programme, die versuchen hochwertige Lösungen schnell zu erzeugen. Eine konkrete Klasse sind Estimation-of-Distribution-Algorithmen (EDAs), die sich durch das Entwickeln probabilistischer Modelle über dem Problemraum auszeichnen. Ein solches Modell wird genutzt, um neue Lösungen zu erzeugen und damit das Modell zu verfeinern, um im nächsten Schritt mit erhöhter Wahrscheinlichkeit bessere Lösungen zu generieren. In dieser Arbeit untersuchen wir die Klasse univariater EDAs in der booleschen Domäne, also im Raum aller Bitstrings der Länge n. Das probabilistische Modell eines univariaten EDAs besteht dann aus einem n-dimensionalen Wahrscheinlichkeitsvektor, in dem jede Komponente die Wahrscheinlichkeit angibt, eine 1 an der entsprechenden Stelle zu erzeugen. Mein Beitrag folgt zwei Hauptrichtungen: Erst untersuchen wir allgemeine inhärente Eigenschaften univariater EDAs. Danach bestimmen wir die erwartete Laufzeit gewisser EDAs auf Benchmarks aus der Theorie. Im ersten Abschnitt charakterisieren wir, wann EDAs unbefangen bezüglich der Problemcodierung sind. Dann untersuchen wir sie in einem Szenario, in dem alle Lösungen gleich gut sind, und zeigen, dass sich ihr Modell schnell zu einem falschen entwickelt, falls es immer so angepasst wird, dass sich im Erwartungswert nichts ändert. Im zweiten Abschnitt zeigen wir, dass die Algorithmen cGA und MMAS-fp eine verrauschte Variante des klassischen Benchmarks OneMax effizient optimieren, bei der eine Gaussverteilung mit Varianz σ² hinzuaddiert wird. Wir beweisen, dass die Algorithmen das wahre Optimum in polynomieller Zeit bezüglich σ² und n erzeugen. Für den MMAS-fp verallgemeinern wir dieses Ergebnis auf lineare Funktionen. Weiterhin beweisen wir eine Laufzeit von Ω(n log(n)) für den Algorithmus UMDA auf OneMax (ohne Rauschen). Zuletzt führen wir einen neuen Algorithmus ein, der die Benchmarks OneMax und LeadingOnes in O(n log(n)) optimiert, was zuvor für noch keine Heuristik gezeigt wurde. T2 - Theoretische Analysen univariater Estimation-of-Distribution-Algorithmen KW - theory KW - estimation-of-distribution algorithms KW - univariate KW - pseudo-Boolean optimization KW - run time analysis KW - Theorie KW - Estimation-of-Distribution-Algorithmen KW - univariat KW - pseudoboolesche Optimierung KW - Laufzeitanalyse Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434870 ER - TY - THES A1 - Korges, Maximilian T1 - Constraining the hydrology of intrusion-related ore deposits with fluid inclusions and numerical modeling T1 - Bestimmung der Hydrologie von Erzlagerstätten an Intrusionen mit Flüssigkeitseinschlüssen und numerischer Modellierung N2 - Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids. N2 - Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft. KW - fluid inclusions KW - numerical modeling KW - Flüssigkeitseinschlüsse KW - numerische Modellierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434843 ER - TY - THES A1 - Kolk, Jens T1 - The long-term legacy of historical land cover changes T1 - Die Langzeitfolgen historischer Landbedeckungsveränderungen BT - patterns and dynamics in herb-layer species richness in deciduous forests of the Prignitz region (NE Germany) BT - Muster und Dynamik der Artenvielfalt von Waldpflanzengemeinschaften in Laubwäldern der Prignitz (Nordostdeutschland) N2 - Over the last years there is an increasing awareness that historical land cover changes and associated land use legacies may be important drivers for present-day species richness and biodiversity due to time-delayed extinctions or colonizations in response to historical environmental changes. Historically altered habitat patches may therefore exhibit an extinction debt or colonization credit and can be expected to lose or gain species in the future. However, extinction debts and colonization credits are difficult to detect and their actual magnitudes or payments have rarely been quantified because species richness patterns and dynamics are also shaped by recent environmental conditions and recent environmental changes. In this thesis we aimed to determine patterns of herb-layer species richness and recent species richness dynamics of forest herb layer plants and link those patterns and dynamics to historical land cover changes and associated land use legacies. The study was conducted in the Prignitz, NE-Germany, where the forest distribution remained stable for the last ca. 100 years but where a) the deciduous forest area had declined by more than 90 per cent (leaving only remnants of "ancient forests"), b) small new forests had been established on former agricultural land ("post-agricultural forests"). Here, we analyzed the relative importance of land use history and associated historical land cover changes for herb layer species richness compared to recent environmental factors and determined magnitudes of extinction debt and colonization credit and their payment in ancient and post-agricultural forests, respectively. We showed that present-day species richness patterns were still shaped by historical land cover changes that ranged back to more than a century. Although recent environmental conditions were largely comparable we found significantly more forest specialists, species with short-distance dispersal capabilities and clonals in ancient forests than in post-agricultural forests. Those species richness differences were largely contingent to a colonization credit in post-agricultural forests that ranged up to 9 species (average 4.7), while the extinction debt in ancient forests had almost completely been paid. Environmental legacies from historical agricultural land use played a minor role for species richness differences. Instead, patch connectivity was most important. Species richness in ancient forests was still dependent on historical connectivity, indicating a last glimpse of an extinction debt, and the colonization credit was highest in isolated post-agricultural forests. In post-agricultural forests that were better connected or directly adjacent to ancient forest patches the colonization credit was way smaller and we were able to verify a gradual payment of the colonization credit from 2.7 species to 1.5 species over the last six decades. N2 - In den vergangenen Jahren reift immer mehr die Erkenntnis, dass historische Landnutzungsveränderungen und deren Folgewirkungen einen wichtigen Einfluss auf die heutige Artenvielfalt und Biodiversität haben können. In Habitaten, deren Landnutzung und Fläche sich in historischer Zeit verändert hat kann aufgrund von verzögerten Aussterbe- und Einwanderungsprozessen eine erhöhte oder verringerte Artenvielfalt vorliegen, die nicht den heutigen Umweltbedingungen entspricht. Es liegen Aussterbeschulden oder Einwanderungs- bzw. Kolonisierungskredite vor, welcher über die Zeit mit Artverlusten oder Zugewinnen von Arten bezahlt werden. Aussterbeschulden oder Einwanderungskredite und deren Bezahlung sind schwierig zu ermitteln, da einerseits Informationen zu historischen Landnutzungsveränderungen oft fehlen und andererseits auch heutige Umweltfaktoren einen wichtigen Einfluss auf die Artenvielfalt haben. Das Ziel dieser Arbeit war es die heutigen Muster der Artenvielfalt von Waldbodenpflanzen in Laub- und Mischwäldern und deren Veränderungen über die letzten 60 Jahre zu ermitteln und diese Muster im Hinblick auf historische Landnutzungsveränderungen zu untersuchen. Das Studiengebiet umfasst große Teile der Prignitz (Brandenburg und angrenzende Teile von Sachsen-Anhalt), ein Gebiet, dessen Waldanteil sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert hat, in dem sich jedoch seit dem Ende des 19ten Jahrhunderts der Anteil historisch alter Wälder (ohne historische nachgewiesene agrarliche Nutzung) um mehr als 90% reduziert hat, während an anderer Stelle wenige neue Wälder auf vorigen Agrarflächen etabliert wurden. Im Rahmen dieser Studie wurde zunächst die Artenvielfalt und deren aktuelle Veränderung in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern untersucht und verglichen. Um den Einfluss von historischen Landnutzungsveränderungen auf die Artenvielfalt zu ermittlen, wurde die historische und heutige Vernetzung der Waldflächen analysiert, die Umweltbedingungen in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern verglichen und der Umfang und die Bezahlung der Aussterbeschulden und der Kolonisierungskredite ermittelt. Die Arbeit zeigt, dass historische Landnutzungsveränderungen die heutige Artenvielfalt noch immer beeinflussen. Obwohl die heutigen Umweltbedingungen in historisch-alten und neu etablierten Wäldern vergleichbar waren, war die Gesamtartenzahl in historisch-alten Wäldern signifikant höher und in diesen Wäldern wurden insbesondere mehr Waldspezialisten und sich nur über kurze Enfernung ausbreitende Pflanzenarten gefunden. Die Unterschiede in den Artenzahlen sind vor allem auf einen Kolonisierungskredit in neu etablierten Wäldern zurückzuführen, während die Aussterbeschulden in historisch-alten Wäldern weitgehend bezahlt wurden. Der Kolonisierungskredits war am höchsten in isoliert gelegenen Waldflächen und belief sich auf bis zu 9 Arten (im Mittel 4,7). Der Kolonisierungskredit in besser vernetzten und in direkt an historisch-alten Wäldern angrenzenden Flächen war deutlich geringer. In diesen Wäldern konnte eine Verringerung des Kolonisierungskredites von im Mittel 2,7 zu 1,5 Arten über die letzten sechs Jahrzehnte nachgewiesen werden. KW - ecology KW - plant science KW - extinction debt KW - colonization credit KW - species richness KW - land use history KW - Ökologie KW - Pflanzenwissenschaften KW - Botanik KW - Aussterbeschuld KW - Einwanderungskredit KW - Biodiversität KW - Landnutzungshistorie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439398 ER - TY - THES A1 - Kochlik, Bastian Max T1 - Relevance of biomarkers for the diagnosis of the frailty syndrome T1 - Die Bedeutung von Biomarkern für die Diagnose des Frailty-Syndroms BT - focus on parameters of muscle protein turnover, micronutrients and oxidative stress BT - 3-Methylhistidine, Mikronährstoffe und oxidativer Stress im Fokus N2 - Frailty and sarcopenia share some underlying characteristics like loss of muscle mass, low muscle strength, and low physical performance. Imaging parameters and functional examinations mainly assess frailty and sarcopenia criteria; however, these measures can have limitations in clinical settings. Therefore, finding suitable biomarkers that reflect a catabolic muscle state e.g. an elevated muscle protein turnover as suggested in frailty, are becoming more relevant concerning frailty diagnosis and risk assessment. 3-Methylhistidine (3-MH) and its ratios 3-MH-to-creatinine (3-MH/Crea) and 3 MH-to-estimated glomerular filtration rate (3-MH/eGFR) are under discussion as possible biomarkers for muscle protein turnover and might support the diagnosis of frailty. However, there is some skepticism about the reliability of 3-MH measures since confounders such as meat and fish intake might influence 3-MH plasma concentrations. Therefore, the influence of dietary habits and an intervention with white meat on plasma 3-MH was determined in young and healthy individuals. In another study, the cross-sectional associations of plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR with the frailty status (robust, pre-frail and frail) were investigated. Oxidative stress (OS) is a possible contributor to frailty development, and high OS levels as well as low micronutrient levels are associated with the frailty syndrome. However, data on simultaneous measures of OS biomarkers together with micronutrients are lacking in studies including frail, pre-frail and robust individuals. Therefore, cross-sectional associations of protein carbonyls (PrCarb), 3-nitrotyrosine (3-NT) and several micronutrients with the frailty status were determined. A validated UPLC-MS/MS (ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry) method for the simultaneous quantification of 3-MH and 1-MH (1 methylhistidine, as marker for meat and fish consumption) was presented and used for further analyses. Omnivores showed higher plasma 3-MH and 1-MH concentrations than vegetarians and a white meat intervention resulted in an increase in plasma 3-MH, 3 MH/Crea, 1-MH and 1-MH/Crea in omnivores. Elevated 3-MH and 3-MH/Crea levels declined significantly within 24 hours after this white meat intervention. Thus, 3-MH and 3-MH/Crea might be used as biomarker for muscle protein turnover when subjects did not consume meat 24 hours prior to blood samplings. Plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR were higher in frail individuals than in robust individuals. Additionally, these biomarkers were positively associated with frailty in linear regression models, and higher odds to be frail were found for every increase in 3 MH and 3-MH/eGFR quintile in multivariable logistic regression models adjusted for several confounders. This was the first study using 3-MH/eGFR and it is concluded that plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR might be used to identify frail individuals or individuals at higher risk to be frail, and that there might be threshold concentrations or ratios to support these diagnoses. Higher vitamin D3, lutein/zeaxanthin, γ-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene and β-cryptoxanthin concentrations and additionally lower PrCarb concentrations were found in robust compared to frail individuals in multivariate linear models. Frail subjects had higher odds to be in the lowest than in the highest tertile for vitamin D3 α-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene, lutein/zeaxanthin, and β cryptoxanthin, and had higher odds to be in the highest than in the lowest tertile for PrCarb than robust individuals in multivariate logistic regression models. Thus, a low micronutrient together with a high PrCarb status is associated with pre-frailty and frailty. N2 - Gebrechlichkeit (englisch: frailty) und Sarkopenie teilen einige zugrundeliegende Merkmale wie einen Verlust von Muskelmasse, eine geringe Muskelkraft und eine geringe körperliche Leistungsfähigkeit, welche durch einen erhöhten Muskelproteinumsatz entstehen können. Kriterien der Gebrechlichkeit und Sarkopenie werden hauptsächlich durch bildgebende Verfahren sowie funktionelle Untersuchungen gemessen, die in ihrer Durchführbarkeit im klinischen Alltag jedoch eingeschränkt sein können. Daher gewinnt das Finden geeigneter Biomarker zur Anzeige eines erhöhten Muskelproteinumsatzes (kataboler Muskelzustand) in Bezug auf Diagnose und Risikobewertung der Gebrechlichkeit zunehmend an Bedeutung. 3-Methylhistidin (3-MH) und die Verhältnisse 3-MH zu Kreatinin (3-MH/Crea) und 3-MH zu geschätzter glomerulärer Filtrationsrate (3-MH/eGFR) werden als solche möglichen Biomarker diskutiert und könnten folglich die Diagnose und Risikobewertung von Gebrechlichkeit unterstützen. Es herrscht jedoch eine gewisse Skepsis hinsichtlich der Zuverlässigkeit von 3-MH-Messungen, da 3-MH-Plasmakonzentrationen durch Fleisch- und Fischaufnahme beeinflusst werden können. Daher wurde der Einfluss von Ernährungsgewohnheiten (Mischkost oder vegetarisch) und einer Intervention mit Hähnchenfleisch auf Plasma-3-MH bei jungen und gesunden Personen untersucht. In einer weiteren Studie wurden die Querschnittsassoziationen von 3-MH, 3-MH/Crea und 3-MH/eGFR im Plasma mit dem Frailty-Status (robust, pre-frail und frail) untersucht. Oxidativer Stress (OS) ist ein potentieller Faktor der zur Entwicklung von Gebrechlichkeit beiträgt, und sowohl hohe OS-Konzentrationen als auch niedrige Mikronährstoffkonzentrationen sind mit Gebrechlichkeit assoziiert. Daten zu simultanen Messungen von OS und Mikronährstoffen in Personen aller drei Frailty-Kategorien (robust, pre-frail und frail) fehlen jedoch. Aus diesem Grund wurden Querschnittsassoziationen von Proteincarbonylen (PrCarb), 3-Nitrotyrosin (3-NT) und mehrerer fettlöslicher Mikronährstoffe mit dem Frailty-Status bestimmt. Eine validierte UPLC-MS/MS-Methode (ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry) zur simultanen Bestimmung von 3-MH und 1-MH (1 Methylhistidin als Marker für den Fleisch- und Fischkonsum) in Plasma wurde beschrieben und für die weiteren Analysen verwendet. Mischköstler wiesen höhere 3 MH- und 1-MH-Konzentrationen in Plasma auf als Vegetarier. Die Intervention mit Hähnchenfleisch führte zu einem Anstieg von Plasma 3-MH, 3-MH/Crea, 1-MH und 1 MH/Crea bei Mischköstlern. Diese erhöhten 3-MH- und 3-MH/Crea-Spiegel sanken innerhalb von 24 Stunden nach der Intervention signifikant ab. Folglich stellen 3-MH und 3-MH/Crea potentielle Biomarker für den Muskelproteinumsatz dar, wenn Personen für 24 Stunden vor der Blutentnahme kein Fleisch verzehrt haben. Gebrechliche Teilnehmer wiesen höhere Plasma 3-MH-, 3-MH/Crea- und 3 MH/eGFR-Werte auf als robuste Teilnehmer und zusätzlich waren diese Biomarker in linearen Regressionsmodellen positiv mit Gebrechlichkeit assoziiert. In multivariablen logistischen Regressionsmodellen (adjustiert für mehrere Confounder) waren gebrechliche Personen im Vergleich zu robusten Personen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in einer höheren 3-MH- und 3-MH/eGFR-Quintile. Diese erste Studie, die 3-MH/eGFR als Biomarker für Gebrechlichkeit untersucht hat, erlaubt die Schlussfolgerung, dass Plasma-3-MH, -3-MH/Crea und -3-MH/eGFR verwendet werden könnte, um gebrechliche Personen oder Personen mit einem erhöhten Frailty-Risiko zu identifizieren. Möglicherweise gibt es auch Schwellenwerte, die diese Diagnosen unterstützen können. In multivariaten Regressionsanalysen wiesen robuste Personen höhere Vitamin D3-, Lutein/Zeaxanthin-, γ-Tocopherol-, α-Carotin-, β-Carotin-, Lycopin- und β Cryptoxanthin-Konzentrationen sowie niedrigere PrCarb-Konzentrationen auf als gebrechliche Personen. Zudem waren in multinomialen logistischen Regressionsanalysen gebrechliche Personen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit sowohl in der niedrigsten Vitamin D3-, α-Tocopherol-, α-Carotin-, β-Carotin-, Lycopin-, Lutein/Zeaxanthin- und β Cryptoxanthin-Tertil als auch im höchsten PrCarb-Tertil zu finden als robuste Personen. Es wird daher geschlussfolgert, dass niedrige Mikronährstoffkonzentrationen zusammen mit hohen PrCarb-Konzentrationen mit Gebrechlichkeit und dessen Vorstufe (pre-frailty) assoziiert sind. KW - biomarker KW - Biomarker KW - frailty KW - Frailty KW - micronutrients KW - Mikronährstoffe KW - oxidative stress KW - oxidativer Stress KW - 3-methylhistidine KW - 3-Methylhistidin KW - muscle protein turnover KW - Muskelproteinumsatz Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441186 ER - TY - THES A1 - Knöchel, Jane T1 - Model reduction of mechanism-based pharmacodynamic models and its link to classical drug effect models T1 - Modellreduktion von mechanistischen pharmacodynamischen Modellen und deren Verbindung zu klassischen Wirkstoff-Effekt-Modellen N2 - Continuous insight into biological processes has led to the development of large-scale, mechanistic systems biology models of pharmacologically relevant networks. While these models are typically designed to study the impact of diverse stimuli or perturbations on multiple system variables, the focus in pharmacological research is often on a specific input, e.g., the dose of a drug, and a specific output related to the drug effect or response in terms of some surrogate marker. To study a chosen input-output pair, the complexity of the interactions as well as the size of the models hinders easy access and understanding of the details of the input-output relationship. The objective of this thesis is the development of a mathematical approach, in specific a model reduction technique, that allows (i) to quantify the importance of the different state variables for a given input-output relationship, and (ii) to reduce the dynamics to its essential features -- allowing for a physiological interpretation of state variables as well as parameter estimation in the statistical analysis of clinical data. We develop a model reduction technique using a control theoretic setting by first defining a novel type of time-limited controllability and observability gramians for nonlinear systems. We then show the superiority of the time-limited generalised gramians for nonlinear systems in the context of balanced truncation for a benchmark system from control theory. The concept of time-limited controllability and observability gramians is subsequently used to introduce a state and time-dependent quantity called the input-response (ir) index that quantifies the importance of state variables for a given input-response relationship at a particular time. We subsequently link our approach to sensitivity analysis, thus, enabling for the first time the use of sensitivity coefficients for state space reduction. The sensitivity based ir-indices are given as a product of two sensitivity coefficients. This allows not only for a computational more efficient calculation but also for a clear distinction of the extent to which the input impacts a state variable and the extent to which a state variable impacts the output. The ir-indices give insight into the coordinated action of specific state variables for a chosen input-response relationship. Our developed model reduction technique results in reduced models that still allow for a mechanistic interpretation in terms of the quantities/state variables of the original system, which is a key requirement in the field of systems pharmacology and systems biology and distinguished the reduced models from so-called empirical drug effect models. The ir-indices are explicitly defined with respect to a reference trajectory and thereby dependent on the initial state (this is an important feature of the measure). This is demonstrated for an example from the field of systems pharmacology, showing that the reduced models are very informative in their ability to detect (genetic) deficiencies in certain physiological entities. Comparing our novel model reduction technique to the already existing techniques shows its superiority. The novel input-response index as a measure of the importance of state variables provides a powerful tool for understanding the complex dynamics of large-scale systems in the context of a specific drug-response relationship. Furthermore, the indices provide a means for a very efficient model order reduction and, thus, an important step towards translating insight from biological processes incorporated in detailed systems pharmacology models into the population analysis of clinical data. N2 - Die kontinuierliche Erforschung von biologischen Prozessen hat zur Entwicklung umfangreicher, mechanistischer systembiologischer Modelle von pharmakologisch relevanten Netzwerken beigetragen. Während diese Modelle in der Regel darauf ausgelegt sind, die Auswirkung von Stimuli oder Störungen auf die Systemdynamik zu untersuchen, liegt der Fokus in der pharmakologis- chen Forschung häufig auf einer bestimmten Kontrolle, z.B. der Dosis eines Wirkstoffes, und einer bestimmten Ausgangsgröße, welche in Bezug steht zu dem Wirkstoff-Effekt oder das Ansprechen auf einen Wirkstoff über einen Surrogatmarker. Die Untersuchung und ein einfaches Verständnis einer spezifischen Eingabe-Ausgabe-Beziehung wird durch die Komplexität der Interaktionen sowie der Größe des Modells erschwert. Das Ziel dieser vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen Ansatzes, insbesondere eines Modellreduktionsverfahrens, der es ermöglicht, (i) die Bedeutung der verschiedenen Zustandsvariablen für eine gegebene Eingabe-Ausgabe-Beziehung zu quantifizieren, und (ii) die Dynamik des Systems auf seine wesentlichen Merkmale zu reduzieren, während gleichzeitig die physiologische Interpretierbarkeit von Zustandsvariablen sowie eine Parameterschätzung im Rahmen von einer statistischen Analyse klinischer Daten ermöglicht wird. Unter Verwendung eines kontrolltheoretischen Settings entwickeln wir eine Modellreduktionstechnik, indem wir vorerst einen neuartigen Typ von zeitlich begrenzten Kontrolllierbarkeits- und Beobachtbarkeitsgramian für nichtlineare Systeme definieren. Anschließend zeigen wir die Überlegenkeit der zeitlich begrenzten verallgemeinerten Gramian für nichtlineare Systeme im Kontext von Balanced Truncation am Beispiel eines Benchmark-Systems aus der Kontrolltheorie. Wir nutzten das Konzept der zeitlich begrenzten Kontrolllierbarkeits- und Beobachtbarkeitsgramian, um eine neue Zustands- und zeitabhängige Größe, die als Input-Response (IR-) Index bezeichnet wird, einzuführen. Dieser Index quantifiziert die Bedeutung von Zustandsvariablen zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine bestimmte Eingabe-Ausgabe-Beziehung. Schließlich verknüpfen wir unseren Ansatz mit der Sensitivitätsanalyse und ermöglichen so erstmals die Verwendung von Sensitivitätskoeffizienten im Rahmen der Reduktion des Zustandsraumes. Wir erhalten die sensitivitätsbasierten IR-Indizes als Produkt zweier Sensitivitätskoeffizienten. Dies ermöglicht nicht nur eine effizientere Berechnung, sondern auch eine klare Unterscheidung, inwieweit die Eingabe eine Zustandsvariable beeinflusst und inwieweit eine Zustandsvariable die Ausgabe beeinflusst. Mit Hilfe der IR-Indizes erhalten wir einen Einblick in den koordinierten Ablauf der Aktivierung von spezifischen Zustandsvariablen für eine ausgewählte Eingabe-Ausgabe-Beziehung. Unser entwickeltes Modellreduktionsverfahren resultiert in reduzierten Modelle, welche eine mechanistische Interpretation hinsichtlich der Originalgrößen und Zustandsvariablen des Ursprungssystems zulassen. Dies war eine wichtige Anforderung an das Verfahren von Seiten der Systempharmakologie und -biologie. Die reduzierten Modelle unterscheiden sich damit wesentlich von den so genannten empirischen Wirkstoff-Effekt-Modellen. Die IR-Indizes sind explizit in Bezug auf eine Referenzlösung definiert und damit vom Anfangszustand abhängig (dies ist ein wichtiges Merkmal der Indizes). Wir zeigen anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Systempharmakologie, dass die reduzierten Modelle sehr aussagekräftig sind, um (genetische) Mängel in bestimmten physiologischen Einheiten festzustellen. Der Vergleich unseres neuartigen Modellreduktionsverfahrens mit den bereits vorhandenen Verfahren zeigt dessen Überlegenheit. Der neuartige IR-Index als Maß für die Wichtigkeit von Zustandsvariablen bietet ein leistungsfähiges mathematisches Werkzeug zum Verständnis und der Analyse der komplexen Dynamik von großen Systemen im Kontext einer bestimmten Wirkstoff-Effekt-Beziehung. Darüber hinaus sind die Indizes eine wichtige Grundlage für das eingeführte und sehr effiziente Modellreduktionsverfahren. Insgesamt stellt dies einen wichtigen Schritt zur Nutzung von Erkenntnissen über biologische Prozesse in Form von detaillierten systempharmakologischen Modellen in der Populationsanalyse klinischer Daten dar. KW - model order reduction KW - control theory KW - large-scale mechanistic systems KW - systems pharmacology KW - Modellreduktion KW - Kontrolltheorie KW - komplexe mechanistische Systeme KW - Systempharmakologie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440598 ER - TY - THES A1 - Kneis, Marek T1 - Die Anfechtbarkeit und die Feststellbarkeit der Mutterschaft de lege lata und de lege ferenda T2 - Acta Iuridica Universitatis Potsdamiensis N2 - Der althergebrachte Grundsatz, wonach das Kind von der Frau abstammt, welche es geboren hat, ist durch die moderne Fortpflanzungsmedizin ins Wanken geraten. Dennoch ordnet § 1591 BGB das Kind unanfechtbar der Geburtsmutter zu. Rechtliche und genetische Mutterschaft fallen deshalb dauerhaft auseinander, wenn das Kind im Wege der Leihmutterschaft oder nach einer Eizell- bzw. Embryospende zur Welt kommt. Die auf diese ­Methoden der artifiziellen Reproduktion bezogenen, im Inland bestehenden Verbote halten Paare mit Kinderwunsch nicht davon ab, auf entsprechende Angebote im Ausland zurückzugreifen. Daraus resultierende kollisions- und verfassungsrechtliche Probleme sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Für den Bereich der Leihmutterschaft wird der Frage nachgegangen, ob die mit dem Anfechtungsausschluss verfolgten Ziele des Gesetzgebers die damit einhergehenden Beeinträchtigungen grundrechtlich geschützter Rechtspositionen von genetischer Mutter und Kind rechtfertigen können. Besonderes Augenmerk liegt auf dem von Art. 6 Abs. 2 S. 1 GG geschützten Interesse von leiblichen Eltern und Kindern, die verfahrensrechtliche Möglichkeit zu erhalten, rechtlich einander zugeordnet zu werden. Dieses Interesse wird den Zielen des Gesetzgebers, der mit dem Anfechtungsausschluss die Rechte von Leihmüttern und Kindern zu schützen beabsichtigt, im Rahmen einer umfassenden Verhältnismäßigkeitsprüfung gegenübergestellt. In den Konstellationen der Eizell- und Embryospende tritt schwerpunkt­mäßig das Recht des Kindes auf Kenntnis der eigenen Abstammung in den Vordergrund und mit ihm die Frage, ob sich daraus eine Verpflichtung des Gesetzgebers ableiten lässt, den Tatbestand von § 1598a BGB so zu erweitern, dass die vermuteten genetischen Eltern für den Bereich der artifiziellen Reproduktion in den Kreis der Klärungsverpflichteten aufgenommen werden. Neben diesen Schwerpunkten werden viele weitere Probleme angesprochen. Im Ergebnis mündet die Arbeit in einen Vorschlag für die Legislative. T3 - Acta Iuridica Universitatis Potsdamiensis - 6 KW - Mutterschaftsanfechtung KW - Mutterschaftsfeststellung KW - Leihmutterschaft KW - Eizellspende KW - Embryospende Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413843 SN - 978-3-86956-437-1 SN - 2199-9686 SN - 2199-9694 IS - 6 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Kerutt, Josephine Victoria T1 - The high-redshift voyage of Lyman alpha and Lyman continuum emission as told by MUSE T1 - Die Reise der Lyman alpha- und Lyman Kontinuumsemission bei hoher Rotverschiebung erzählt von MUSE N2 - Most of the matter in the universe consists of hydrogen. The hydrogen in the intergalactic medium (IGM), the matter between the galaxies, underwent a change of its ionisation state at the epoch of reionisation, at a redshift roughly between 6>z>10, or ~10^8 years after the Big Bang. At this time, the mostly neutral hydrogen in the IGM was ionised but the source of the responsible hydrogen ionising emission remains unclear. In this thesis I discuss the most likely candidates for the emission of this ionising radiation, which are a type of galaxy called Lyman alpha emitters (LAEs). As implied by their name, they emit Lyman alpha radiation, produced after a hydrogen atom has been ionised and recombines with a free electron. The ionising radiation itself (also called Lyman continuum emission) which is needed for this process inside the LAEs could also be responsible for ionising the IGM around those galaxies at the epoch of reionisation, given that enough Lyman continuum escapes. Through this mechanism, Lyman alpha and Lyman continuum radiation are closely linked and are both studied to better understand the properties of high redshift galaxies and the reionisation state of the universe. Before I can analyse their Lyman alpha emission lines and the escape of Lyman continuum emission from them, the first step is the detection and correct classification of LAEs in integral field spectroscopic data, specifically taken with the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE). After detecting emission line objects in the MUSE data, the task of classifying them and determining their redshift is performed with the graphical user interface QtClassify, which I developed during the work on this thesis. It uses the strength of the combination of spectroscopic and photometric information that integral field spectroscopy offers to enable the user to quickly identify the nature of the detected emission lines. The reliable classification of LAEs and determination of their redshifts is a crucial first step towards an analysis of their properties. Through radiative transfer processes, the properties of the neutral hydrogen clouds in and around LAEs are imprinted on the shape of the Lyman alpha line. Thus after identifying the LAEs in the MUSE data, I analyse the properties of the Lyman alpha emission line, such as the equivalent width (EW) distribution, the asymmetry and width of the line as well as the double peak fraction. I challenge the common method of displaying EW distributions as histograms without taking the limits of the survey into account and construct a more independent EW distribution function that better reflects the properties of the underlying population of galaxies. I illustrate this by comparing the fraction of high EW objects between the two surveys MUSE-Wide and MUSE-Deep, both consisting of MUSE pointings (each with the size of one square arcminute) of different depths. In the 60 MUSE-Wide fields of one hour exposure time I find a fraction of objects with extreme EWs above EW_0>240A of ~20%, while in the MUSE-Deep fields (9 fields with an exposure time of 10 hours and one with an exposure time of 31 hours) I find a fraction of only ~1%, which is due to the differences in the limiting line flux of the surveys. The highest EW I measure is EW_0 = 600.63 +- 110A, which hints at an unusual underlying stellar population, possibly with a very low metallicity. With the knowledge of the redshifts and positions of the LAEs detected in the MUSE-Wide survey, I also look for Lyman continuum emission coming from these galaxies and analyse the connection between Lyman continuum emission and Lyman alpha emission. I use ancillary Hubble Space Telescope (HST) broadband photometry in the bands that contain the Lyman continuum and find six Lyman continuum leaker candidates. To test whether the Lyman continuum emission of LAEs is coming only from those individual objects or the whole population, I select LAEs that are most promising for the detection of Lyman continuum emission, based on their rest-frame UV continuum and Lyman alpha line shape properties. After this selection, I stack the broadband data of the resulting sample and detect a signal in Lyman continuum with a significance of S/N = 5.5, pointing towards a Lyman continuum escape fraction of ~80%. If the signal is reliable, it strongly favours LAEs as the providers of the hydrogen ionising emission at the epoch of reionisation and beyond. N2 - Die Materie zwischen den Galaxien im Universum, das sogenannte intergalaktische Medium, besteht zum größten Teil aus Wasserstoff, welcher sich zusammensetzt aus einem Proton und einem Elektron. Etwa ~10^8 Jahre nach dem Urknall änderte sich der Ionisationszustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium. Durch Strahlung wurden Proton und Elektronen getrennt, der Wasserstoff wurde ionisiert. Die Strahlung mit der nötigen Energie um Wasserstoff zu ionisieren nennt man Lyman Kontinuum Strahlung. Woher diese stammt ist bis heute eine offene Frage. In der vorliegenden Arbeit diskutiere ich die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Emission dieser ionisierenden Strahlung: die Lyman alpha Emitter (LAE), eine Gruppe von Galaxien die man im frühen Universum antrifft. Hat nämlich ein Lyman Kontinuum Photon ein Wasserstoffatom ionisiert, kommt es häufig vor, dass sich Proton und Elektron wieder zu einem neutralen Wasserstoffatom verbinden. Bei diesem Prozess wird dann ein Lyman alpha Photon freigesetzt, was den LAE ihren Namen gibt. Da wir in den Spektren dieser Galaxien die Lyman alpha Photonen beobachten können, deren Voraussetzung die Existenz von Lyman Kontinuum Emission in der Galaxie ist, liegt es nahe anzunehmen, dass die Lyman Kontinuum Emission auch in das intergalaktische Medium vordringen kann um den Wasserstoff dort ebenfalls zu ionisieren. Durch diesen Mechanismus sind Lyman alpha und Lyman-Kontinuumsstrahlung eng miteinander verbunden und werden in dieser Arbeit beide untersucht, um die Eigenschaften von Galaxien im frühen Universum und den Zustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium besser zu verstehen. Der erste Schritt ist jedoch die Detektion und korrekte Klassifizierung von LAE. Dafür benutze ich Daten des Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), ein Instrument mit dem Beobachtungen möglich sind, die zwei räumliche Dimensionen mit einer spektralen Dimension verbinden. Somit ist in jedem Pixel der Daten ein Spektrum zur Verfügung, in dem nach Emissionslinien gesucht werden kann. Nach der Detektion von Emissionslinien in den MUSE-Daten wird die Aufgabe der Klassifizierung von der grafischen Benutzeroberfläche QtClassify unterstützt, die ich in dieser Arbeit entwickelt habe. Sie bietet dem Benutzer eine schnelle und übersichtliche Identifizierung der gefundenen Emissionslinien, was einen entscheidenden ersten Schritt zur Analyse der Eigenschaften der LAE darstellt. Da Lyman alpha Photonen in neutralem Wasserstoff, der im Inneren von Galaxien in Gaswolken vorkommt, gestreut wird, verändert sich die Form der Lyman alpha Emissionslinie im Spektrum. Nachdem also die LAE mit Hilfe von QtClassify identifiziert werden konnten, analysiere ich die Lyman alpha Linie hinsichtlich ihrer Breite, ihrer Symmetrie und ihrer Stärke und suche nach Doppellinien, die Hinweise auf die Kinematik der Wasserstoff Gaswolken geben. Besonders wichtig dabei ist die Stärke der Linie im Vergleich zum restlichen Spektrum, die sogenannte Äquivalentbreite. Dabei zeige ich, dass die übliche Methode die Verteilung der Äquivalentbreiten als Histogramme darzustellen ohne die Detektionsgrenzen der Beobachtungen miteinzubeziehen keine Aussage über die Eigenschaften der LAE, sondern lediglich über die Grenzen der Beobachtungen treffen. Daher konstruiere ich eine unabhängigere Verteilungsfunktion, die diese Grenzen mit einbezieht. Ich verdeutliche dies durch einen Vergleich des Anteils von Objekten mit hoher Äquivalentbreite in zwei verschiedenen Datensätzen, die auf Beobachtungen mit unterschiedlicher Belichtungszeit beruhen. Dabei finde ich in dem Datensatz mit der kürzeren Belichtungszeit einen Anteil von ~20% an Objekten mit hohen Äquivalentbreiten (über >240A) und nur ~1% im Datensatz mit der zehnfach längeren Belichtungszeit obwohl die Eigenschaften der LAE gleich sind. Zudem finde ich eine Galaxie mit einer Äquivalentbreite der Lyman alpha Linie von 600 +- 110A, was auf eine ungewöhnliche Sternpopulation hindeutet. Als letzten Schritt suche ich in den klassifizierten LAE nach Lyman Kontinuum, was für die Ionisierung des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium verantwortlich ist, und untersuche den Zusammenhang zwischen der Lyman alpha und der Lyman Kontinuumsstrahlung. Um das Lyman Kontinuum detektieren zu können benutze ich Daten des Hubble-Weltraumteleskops (HST) und finde sechs Lyman Kontinuum Kandidaten unter den LAE. Um zu testen ob die Lyman Kontinuumsstrahlung lediglich von diesen Objekten ausgeht oder auch im der Gesamtheit der LAE zu finden ist, addiere ich die Daten des HST und finde ein Signal, was darauf hindeutet, dass ~80% der Lyman Kontinuumsstrahlung aus den Galaxien entkommen und in das intergalaktische Medium vordringen kann. Wenn das gefundene Signal zuverlässig ist deutet es darauf hin, dass in der Tat LAE für die Ionisierung des Wasserstoffs im Universum verantwortlich sein könnten. KW - astronomy KW - LAEs KW - reionization KW - Lyman alpha KW - Lyman continuum KW - VLT/MUSE KW - emission line classification KW - QtClassify KW - LAEs KW - Lyman alpha KW - Lyman Kontinuum KW - QtClassify KW - VLT/MUSE KW - Astronomie KW - Emissionslinienklassifikation KW - Reionisierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478816 ER - TY - THES A1 - Kehm, Richard T1 - The impact of metabolic stress and aging on functionality and integrity of pancreatic islets and beta-cells T1 - Der Einfluss von metabolischem Stress und Alterung auf die Funktionalität und Integrität von Langerhans-Inseln und β-Zellen N2 - The increasing age of worldwide population is a major contributor for the rising prevalence of major pathologies and disease, such as type 2 diabetes, mediated by massive insulin resistance and a decline in functional beta-cell mass, highly associated with an elevated incidence of obesity. Thus, the impact of aging under physiological conditions and in combination with diet-induced metabolic stress on characteristics of pancreatic islets and beta-cells, with the focus on functionality and structural integrity, were investigated in the present dissertation. Primarily induced by malnutrition due to chronic and excess intake of high caloric diets, containing large amounts of carbohydrates and fats, obesity followed by systemic inflammation and peripheral insulin resistance occurs over time, initiating metabolic stress conditions. Elevated insulin demands initiate an adaptive response by beta-cell mass expansion due to increased proliferation, but prolonged stress conditions drive beta-cell failure and loss. Aging has been also shown to affect beta-cell functionality and morphology, in particular by proliferative limitations. However, most studies in rodents were performed under beta-cell challenging conditions, such as high-fat diet interventions. Thus, in the first part of the thesis (publication I), a characterization of age-related alterations on pancreatic islets and beta-cells was performed by using plasma samples and pancreatic tissue sections of standard diet-fed C57BL/6J wild-type mice in several age groups (2.5, 5, 10, 15 and 21 months). Aging was accompanied by decreased but sustained islet proliferative potential as well as an induction of cellular senescence. This was associated with a progressive islet expansion to maintain normoglycemia throughout lifespan. Moreover, beta-cell function and mass were not impaired although the formation and accumulation of AGEs occurred, located predominantly in the islet vasculature, accompanied by an induction of oxidative and nitrosative (redox) stress. The nutritional behavior throughout human lifespan; however, is not restricted to a balanced diet. This emphasizes the significance to investigate malnutrition by the intake of high-energy diets, inducing metabolic stress conditions that synergistically with aging might amplify the detrimental effects on endocrine pancreas. Using diabetes-prone NZO mice aged 7 weeks, fed a dietary regimen of carbohydrate restriction for different periods (young mice - 11 weeks, middle-aged mice - 32 weeks) followed by a carbohydrate intervention for 3 weeks, offered the opportunity to distinguish the effects of diet-induced metabolic stress in different ages on the functionality and integrity of pancreatic islets and their beta-cells (publication II, manuscript). Interestingly, while young NZO mice exhibited massive hyperglycemia in response to diet-induced metabolic stress accompanied by beta-cell dysfunction and apoptosis, middle-aged animals revealed only moderate hyperglycemia by the maintenance of functional beta-cells. The loss of functional beta-cell mass in islets of young mice was associated with reduced expression of PDX1 transcription factor, increased endocrine AGE formation and related redox stress as well as TXNIP-dependent induction of the mitochondrial death pathway. Although the amounts of secreted insulin and the proliferative potential were comparable in both age groups, islets of middle-aged mice exhibited sustained PDX1 expression, almost regular insulin secretory function, increased capacity for cell cycle progression as well as maintained redox potential. The results of the present thesis indicate a loss of functional beta-cell mass in young diabetes-prone NZO mice, occurring by redox imbalance and induction of apoptotic signaling pathways. In contrast, aging under physiological conditions in C57BL/6J mice and in combination with diet-induced metabolic stress in NZO mice does not appear to have adverse effects on the functionality and structural integrity of pancreatic islets and beta-cells, associated with adaptive responses on changing metabolic demands. However, considering the detrimental effects of aging, it has to be assumed that the compensatory potential of mice might be exhausted at a later point of time, finally leading to a loss of functional beta-cell mass and the onset and progression of type 2 diabetes. The polygenic, diabetes-prone NZO mouse is a suitable model for the investigation of human obesity-associated type 2 diabetes. However, mice at advanced age attenuated the diabetic phenotype or do not respond to the dietary stimuli. This might be explained by the middle age of mice, corresponding to the human age of about 38-40 years, in which the compensatory mechanisms of pancreatic islets and beta cells towards metabolic stress conditions are presumably more active. N2 - Das steigende Alter der Weltbevölkerung ist ein wesentlicher Faktor für die zunehmende Prävalenz bedeutsamer Pathologien und Krankheiten, wie dem Typ-2-Diabetes, der durch eine massive Insulinresistenz und eine Abnahme der funktionellen Beta-Zellmasse hervorgerufen wird und in hohem Maße mit einem verstärkten Auftreten von Fettleibigkeit assoziiert ist. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation der Einfluss der Alterung unter physiologischen Bedingungen und in Kombination mit ernährungs-bedingtem, metabolischem Stress auf die Eigenschaften von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen, mit dem Schwerpunkt auf Funktionalität und strukturelle Integrität, untersucht. Primär induziert durch Fehlernährung infolge des chronischen und übermäßigen Konsums von kalorienreichen Diäten, die große Mengen an Kohlenhydraten und Fetten enthalten, kann Adipositas, gefolgt von systemischen Entzündungen und peripherer Insulinresistenz, im Laufe des Lebens entstehen und metabolische Stresszustände auslösen. Daraus resultiert ein erhöhter Insulinbedarf, der eine adaptive Reaktion durch die Vergrößerung der Beta-Zellmasse infolge gesteigerter Proliferation auslöst. Längere Stressbedingungen führen hingegen zu Schäden an und Verlust von Beta-Zellen. Es wurde zudem gezeigt, dass das Altern die Funktionalität und Morphologie von Beta-Zellen, insbesondere durch proliferative Limitationen, beeinflusst. Die meisten Studien in Nagetieren wurden jedoch unter erhöhten Stressbedingungen für Beta-Zellen, beispielsweise durch die Fütterung von Hochfett-Diäten, durchgeführt. Deshalb wurde im ersten Teil der Arbeit (Publikation I) eine Charakterisierung von altersbedingten Veränderungen auf die Langerhans-Inseln und Beta-Zellen unter Verwendung von Plasmaproben und Pankreasgewebeschnitten von C57BL/6J-Wildtyp-Mäusen verschiedener Altersgruppen (2,5; 5; 10; 15 und 21 Monate), die mit einer Standarddiät gefüttert wurden, durchgeführt. Das Altern ging mit einem reduzierten, jedoch anhaltenden Proliferationspotential der Langerhans-Inseln sowie einer Induktion der zellulären Seneszenz einher. Dies war mit einem fortschreitenden Wachstum der Langerhans-Inseln verbunden, um eine Normoglykämie während der gesamten Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Zudem wurden die Beta-Zell-Masse und die Funktionalität nicht beeinträchtigt, obwohl eine Bildung und Akkumulation von AGEs, die vorwiegend im Gefäßsystem der Langerhans-Inseln lokalisiert und von einer Induktion von oxidativem und nitrosativem (redox) Stress begleitet war, auftrat. Das Ernährungsverhalten während der gesamten Lebensspanne ist jedoch nicht auf eine ausgewogene Ernährung beschränkt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung von Fehlernährung durch die Einnahme energiereicher Diäten, wodurch metabolische Stresszustände induziert werden, die synergistisch mit dem Altern schädigende Effekte auf das endokrine Pankreas verstärken können. Verwendet wurden 7 Wochen alte, zur Entwicklung von Typ-2-Diabetes neigende NZO-Mäuse, die unterschiedlich langen kohlenhydratrestriktiven Fütterungsperioden (junge Mäuse - 11 Wochen, Mäuse mittleren Alters - 32 Wochen), gefolgt von einer 3-wöchigen Kohlenhydratintervention ausgesetzt waren. Dadurch konnten die Auswirkungen von ernährungsbedingtem metabolischem Stress auf die Funktionalität und Integrität von Langerhans-Inseln und deren Beta-Zellen in verschiedenen Altersstufen untersucht werden (Publikation II, Manuskript). Interessanterweise zeigten junge NZO-Mäuse eine massive Hyperglykämie als Reaktion auf den ernährungsbedingten, metabolischen Stress was von Beta-Zelldysfunktion und Apoptose begleitet war. Tiere mittleren Alters zeigten hingegen nur eine moderate Hyperglykämie durch den Erhalt funktioneller Beta-Zellen. Der Verlust funktioneller Beta-Zellmasse in jungen Mäusen war mit einer verminderten Expression des PDX1-Transkriptionsfaktors, einer erhöhten endokrinen AGE-Bildung und damit verbundenem Redox Stress sowie einer TXNIP-abhängigen Induktion des mitochondrialen Apoptosewegs verbunden. Obwohl die Mengen an sekretiertem Insulin sowie das Proliferationspotential in beiden Altersgruppen vergleichbar waren, zeigten die Langerhans-Inseln der Mäuse im mittleren Alter eine anhaltende PDX1-Expression, eine nahezu reguläre Insulinsekretionsfunktion, eine erhöhte Kapazität für das Fortschreiten des Zellzyklus sowie einen Erhalt des Redoxpotentials. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einen Verlust funktioneller Beta-Zellmasse bei jungen, diabetogenen NZO-Mäusen, der durch ein Redox-Ungleichgewicht und die Induktion apoptotischer Signalwege verursacht wurde. Im Gegensatz dazu scheint das Altern unter physiologischen Bedingungen bei C57BL/6J-Mäusen und in Kombination mit ernährungsbedingtem metabolischem Stress bei NZO-Mäusen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Funktionalität und strukturelle Integrität von Langerhans und Beta-Zellen zu haben, was mit adaptiven Reaktionen auf wechselnde Stoffwechsel-anforderungen assoziiert war. In Anbetracht der negativen Auswirkungen der Alterung muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Kompensationsverhalten von Mäusen zu einem späteren Zeitpunkt erschöpft sein könnte, was schließlich zu einem Verlust der funktionellen Beta-Zellmasse und dem Auftreten und Fortschreiten von Typ-2-Diabetes führt. Die polygene, zu Typ-2-Diabetes neigende NZO-Maus ist ein geeignetes Modell für die Untersuchung von mit Adipositas-assoziiertem Typ-2-Diabetes beim Menschen. Mäuse im fortgeschrittenen Alter zeigten jedoch einen verminderten diabetischen Phänotyp oder reagierten nicht auf die diätetischen Reize. Dies könnte durch das mittlere Alter der Mäuse erklärt werden, das dem menschlichen Alter von etwa 38 bis 40 Jahren entspricht, in dem die Kompensationsmechanismen von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen gegenüber metabolischen Stressbedingungen möglicherweise aktiver sind. KW - Alterung KW - aging KW - Beta-Zelle KW - beta-cell KW - metabolischer Stress KW - metabolic stress Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441099 ER - TY - THES A1 - Kegelmann, Lukas T1 - Advancing charge selective contacts for efficient monolithic perovskite-silicon tandem solar cells T1 - Entwicklung Ladungsselektiver Kontakte für Effiziente Monolithische Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen N2 - Hybrid organic-inorganic perovskites are one of the most promising material classes for photovoltaic energy conversion. In solar cells, the perovskite absorber is sandwiched between n- and p-type contact layers which selectively transport electrons and holes to the cell’s cathode and anode, respectively. This thesis aims to advance contact layers in perovskite solar cells and unravel the impact of interface and contact properties on the device performance. Further, the contact materials are applied in monolithic perovskite-silicon heterojunction (SHJ) tandem solar cells, which can overcome the single junction efficiency limits and attract increasing attention. Therefore, all contact layers must be highly transparent to foster light harvesting in the tandem solar cell design. Besides, the SHJ device restricts processing temperatures for the selective contacts to below 200°C. A comparative study of various electron selective contact materials, all processed below 180°C, in n-i-p type perovskite solar cells highlights that selective contacts and their interfaces to the absorber govern the overall device performance. Combining fullerenes and metal-oxides in a TiO2/PC60BM (phenyl-C60-butyric acid methyl ester) double-layer contact allows to merge good charge extraction with minimized interface recombination. The layer sequence thereby achieved high stabilized solar cell performances up to 18.0% and negligible current-voltage hysteresis, an otherwise pronounced phenomenon in this device design. Double-layer structures are therefore emphasized as a general concept to establish efficient and highly selective contacts. Based on this success, the concept to combine desired properties of different materials is transferred to the p-type contact. Here, a mixture of the small molecule Spiro-OMeTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’-spirobifluoren] and the doped polymer PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)] is presented as a novel hole selective contact. PEDOT thereby remarkably suppresses charge recombination at the perovskite surface, allowing an increase of quasi-Fermi level splitting in the absorber. Further, the addition of Spiro-OMeTAD into the PEDOT layer is shown to enhance charge extraction at the interface and allow high efficiencies up to 16.8%. Finally, the knowledge on contact properties is applied to monolithic perovskite-SHJ tandem solar cells. The main goal is to optimize the top contact stack of doped Spiro-OMeTAD/molybdenum oxide(MoOx)/ITO towards higher transparency by two different routes. First, fine-tuning of the ITO deposition to mitigate chemical reduction of MoOx and increase the transmittance of MoOx/ITO stacks by 25%. Second, replacing Spiro-OMeTAD with the alternative hole transport materials PEDOT/Spiro-OMeTAD mixtures, CuSCN or PTAA [poly(triaryl amine)]. Experimental results determine layer thickness constrains and validate optical simulations, which subsequently allow to realistically estimate the respective tandem device performances. As a result, PTAA represents the most promising replacement for Spiro-OMeTAD, with a projected increase of the optimum tandem device efficiency for the herein used architecture by 2.9% relative to 26.5% absolute. The results also reveal general guidelines for further performance gains of the technology. N2 - Hybride, organisch-anorganische Perowskite gelten als eine der vielversprechendsten Materialklassen für die photovoltaische Energieumwandlung. Dazu werden Perowskit-Absorber in Solarzellen zwischen n- und p-Typ Kontaktschichten angeordnet, die Elektronen oder Löcher selektiv zur Kathode bzw. Anode der Zelle transportieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die ladungsselektiven Transportschichten in Perowskit-Solarzellen zu verbessern und Einflüsse der Grenzflächen- und Kontakteigenschaften auf die Zelleffizienz herauszustellen. Darüber hinaus werden die selektiven Schichten in monolithischen Perowskit-Silizium-Heterokontakt (SHK) Tandem-Solarzellen eingesetzt. Diese können höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen erzielen und erfahren zunehmende Aufmerksamkeit aus der Forschung. Hierfür müssen alle Kontaktschichten hochtransparent sein, um eine möglichst effiziente Lichtausnutzung im Tandem-Solarzellen-Design zu erzielen. Des Weiteren limitiert die SHK-Solarzelle die höchst mögliche Temperatur zur Abscheidung der selektiven Kontakte auf 200°C. In einer Vergleichsstudie werden deshalb zunächst verschiedene elektronenselektive Kontaktmaterialien, die alle unter 180°C prozessiert werden, in n-i-p-Typ Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Es zeigt sich hierbei, wie wesentlich die selektiven Kontakte und ihre Grenzflächen zum Absorber die Effizienz der Solarzellen bestimmen. Eine Kombination aus Fulleren und Metalloxid in einem TiO2/PC60BM (Phenyl-C60-Buttersäuremethylester) Doppelschichtkontakt ermöglicht dabei eine besonders gute Ladungsextraktion und stark reduzierte Grenzflächenrekombination. Die Materialzusammenstellung erreicht in der Studie hohe stabilisierte Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,0% und eine vernachlässigbare Strom-Spannungs-Hysterese, ein üblicherweise ausgeprägtes Phänomen in diesem Zellaufbau. Das Ergebnis stellt Doppelschicht-Strukturen als generelles Konzept zur Herstellung effizienter und hochselektiver Kontakte heraus. Basierend auf diesem Erfolg wird das Konzept, Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu kombinieren, anschließend auf den p-Typ Kontakt übertragen. Dazu wird ein neuartiger lochselektiver Kontakt vorgestellt, bestehend aus einer Mischung des kleinen Moleküls Spiro-OMeTAD [2,2‘7,7‘-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9‘-spirobifluoren] und dem dotierten Polymer PEDOT [poly(3,4-ethylendioxythiophen)]. PEDOT unterdrückt dabei bemerkenswerter Weiße die Ladungsträgerrekombination an der Perowskit-Grenzfläche, wodurch eine Erhöhung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung im Absorber erzielt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass die Zugabe von Spiro-OMeTAD in die PEDOT-Schicht die Lochextraktion an der Grenzfläche verbessert und folglich hohe Solarzellenwirkungsgrade von bis zu 16,8% ermöglicht. Schließlich wird das gewonnene Wissen über die Bedeutung der Kontakt- und Grenzflächeneigenschaften auf monolithische Perowskit-SHK-Tandemsolarzellen angewandt. Das Hauptziel dabei ist die Optimierung des oberen Kontaktstapels, bestehend aus dotiertem Spiro-OMeTAD/Molybdän Oxid (MoOx)/ITO, hin zu verbesserter Transparenz. Zwei verschiedene Ansätze werden hierzu verfolgt. Erstens, durch Feinanpassung der ITO-Abscheidung kann eine chemische Reduktion von MoOx verringert und die Transmission von MoOx/ITO-Schichtstapeln um 25% erhöht werden. Zweitens: Durch Ersetzen des Spiro-OMeTAD mit alternativen, transparenteren Lochtransportmaterialien sollen parasitäre Absorptionsverluste vermieden werden. Als potentielle Lochkontakte werden dabei PEDOT/Spiro-OMeTAD-Mischungen, CuSCN und PTAA [Poly(triarylamin)] analysiert. Experimentelle Untersuchungen liefern optimierte Dicken der Lochkontakt und MoOx Schichten und dienen der Validierung optischer Simulationen der Schichtstapel. Dies erlaubt im Folgenden eine realistische Abschätzung der maximal erreichbaren Tandemsolarzelleneffizienzen. Dabei stellt PTAA den vielversprechendsten Ersatz für Spiro-OMeTAD dar, mit einer prognostizierten Erhöhung des erreichbaren Tandem-Solarzellenwirkungsgrad um 2,9% relativ auf 26,5% absolut. Die Ergebnisse stellen zudem einen Leitfaden zur weiteren Effizienzsteigerung der Tandemsolarzellen-Technologie dar. KW - perovskite KW - silicon KW - tandem solar cell KW - interface engineering KW - contact layers KW - Perowskit KW - Silizium KW - Tandem-Solarzelle KW - Interface-Engineering KW - Kontaktschichten Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426428 ER - TY - THES A1 - Kav, Batuhan T1 - Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides T1 - Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide N2 - Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments. N2 - Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind. KW - molecular dynamics KW - membrane adhesion KW - lipid-anchored saccharide KW - lipid membranes KW - membrane adhesion forces KW - Molekulardynamik KW - Membranadhäsion KW - lipid-verankerte Saccharide KW - Lipidmembran KW - Membran-Adhäsionskräfte Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790 ER - TY - THES A1 - Kagel, Heike T1 - Light-induced pH cycle T1 - Licht-induzierte pH- Steuerung BT - a non-invasive method to control biochemical reactions BT - eine nicht-invasive Methode zur Kontrolle biochemischer Reaktionen N2 - Background Many biochemical reactions depend on the pH of their environment and some are strongly accelerated in an acidic surrounding. A classical approach to control biochemical reactions non-invasivly is by changing the temperature. However, if the pH could be controlled by optical means using photo-active chemicals, this would mean to be able to accelerate suitable biochemical reactions. Optically switching the pH can be achieved by using photoacids. A photoacid is a molecule with a functional group that releases a proton upon irradiation with the suitable wavelength, acidifying the environmental aqueous surrounding. A major goal of this work was to establish a non-invasive method of optically controlling the pH in aqueous solutions, offering the opportunity to enhance the known chemical reactions portfolio. To demonstrate the photo-switchable pH cycling we chose an enzymatic assay using acid phosphatase, which is an enzyme with a strong pH dependent activity. Results In this work we could demonstrate a light-induced, reversible control of the enzymatic activity of acid phosphatase non-invasivly. To successfully conduct those experiments a high power LED array was designed and built, suitable for a 96 well standard microtiter plate, not being commercially available. Heat management and a lateral ventilation system to avoid heat accumulation were established and a stable light intensity achieved. Different photoacids were characterised and their pH dependent absorption spectra recorded. By using the reversible photoacid G-acid as a proton donor, the pH can be changed reversibly using high power UV 365 nm LEDs. To demonstrate the pH cycling, acid phosphatase with hydrolytic activity under acidic conditions was chosen. An assay using the photoacid together with the enzyme was established, also providing that G-acid does not inhibit acid phosphatase. The feasibility of reversibly regulating the enzyme’s pH dependent activity by optical means was demonstrated, by controlling the enzymatic activity with light. It was demonstrated that the enzyme activity depends on the light exposure time only. When samples are not illuminated and left in the dark, no enzymatic activity was recorded. The process can be rapidly controlled by simply switching the light on and off and should be applicable to a wide range of enzymes and biochemical reactions. Conclusions Reversible photoacids offer a light-dependent regulation of pH, making them extremely attractive for miniaturizable, non-invasive and time-resolved control of biochemical reactions. Many enzymes have a sharp pH dependent activity, thus the established setup in this thesis could be used for a versatile enzyme portfolio. Even though the demonstrated photo-switchable strategy could also be used for non-enzymatic assays, greatly facilitating the assay establishment. Photoacids have the potential for high throughput methods and automation. We demonstrated that it is possible to control photoacids using commonly available LEDs, making their use in highly integrated devices and instruments more attractive. The successfully designed 96 well high power UV LED array presents an opportunity for general combinatorial analysis in e.g. photochemistry, where a high light intensity is needed for the investigation of various reactions. N2 - Hintergrund Viele biochemische Reaktionen hängen vom pH-Wert ihrer Umgebung ab. Einige werden in einer sauren Umgebung stark beschleunigt. Ein klassischer Kontrollansatz nicht-invasiver biochemischer Reaktionen stellt die Änderung der Temperatur dar. Wenn jedoch der pH-Wert durch photoaktiven Chemikalien optisch gesteuert werden könnte, wäre es möglich geeignete biochemische Reaktionen zu beschleunigen. Die optische Steuerung des pH-Wertes kann durch die Verwendung von Photosäuren erfolgen. Eine Photosäure ist ein Molekül mit einer funktionellen Gruppe, welche bei Bestrahlung mit der geeigneten Wellenlänge ein Proton freisetzt und somit wässrige Umgebung ansäuert. Ein Hauptziel dieser Arbeit war es, eine nicht-invasive Methode zu etablieren und ein Verfahren zur optischen Kontrolle des pH-Wertes in wässrigen Lösungen zu entwickeln und somit das Portfolio biochemischer Reaktionen zu erweitern. Zur Demonstration der optischen Kontrolle des pH-Wertes wurde ein enzymatisches Assay mit der Verwendung von saurer Phosphatase gewählt. Dieses Enzym hat eine pH-abhängige Aktivität. Ergebnisse In dieser Arbeit konnte eine lichtinduzierte, nicht-invasive, reversible Kontrolle der enzymatischen Aktivität der sauren Phosphatase demonstriert werden. Um diese erfolgreich durchzuführen wurde ein Hochleistungs-LED-Array entworfen und gebaut, welches für standard 96er Mikrotiterplatten geeignet ist. So ein LED-Array ist nicht im Handel erhältlich. Zum Wärmemanagement wurde unter anderem ein seitliches Belüftungssystem zur Vermeidung von Wärmestau eingerichtet und somit eine stabile Licht Intensität erreicht. Verschiedene Photosäuren wurden charakterisiert und deren pH-abhängiges Absorptionsspektren aufgezeichnet. Unter Verwendung der reversiblen Photosäure G-Säure als Protonendonor kann der pH Wert mit Hilfe des Hochleistungs-LED-Arrays reversibel geändert werden. Um den schaltbaren pH- Wechsel zu demonstrieren wurde die saure Phosphatase, welche unter sauren pH Wert hydrolytische Aktivität zeigt, gewählt. Ein Assay, bei dem die Photosäure zusammen mit dem Enzym verwendet wurde zeigt, dass G-Säure die saure Phosphatase nicht hemmt. Die reversible Regelung der pH-abhängigen Aktivität des Enzyms durch optische Kontrolle wurde nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass die Enzymaktivität allein von der Belichtungszeit abhängig ist. Wenn die Proben nicht beleuchtet wurden und im Dunkeln blieben, wurde keine enzymatische Aktivität aufgezeichnet. Der Prozess kann einfach und schnell gesteuert durch Ein- und Ausschalten des Lichts gesteuert werden und sollte auf eine Vielzahl von Enzymen und biochemischen Reaktionen anwendbar sein. Schlussfolgerungen Reversible Photosäuren ermöglichen eine lichtabhängige Regulierung des pH-Wertes. Sie sind äußerst attraktiv für miniaturisierbare, nicht invasive und zeitaufgelöste Steuerung von biochemischen Reaktionen. Viele Enzyme haben eine starke pH-abhängige Aktivität, daher könnte der in dieser Arbeit etablierte für ein vielseitiges Enzymportfolio verwendet werden. Die vorgestellte photo-schaltbare-Strategie könnte jedoch auch für nicht-enzymatische verwendet werden. Photosäuren haben das Potenzial für Hochdurchsatzverfahren und Automatisierung. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist Photosäuren mit handelsüblichen LEDs, zu kontrollieren. Damit ist eine integration in Handelsübliche Geräte möglich. Das erfolgreich designte 96 Well Hochleisuntg- LED-Array bietet eine Möglichkeit zur allgemeinen kombinatorischen Analyse in z.B. Photochemie, wo eine hohe Lichtintensität für die Untersuchung verschiedener Reaktionen benötigt wird. KW - photoacid KW - photo-induced KW - acid phosphatase KW - High Power LED Array KW - Photosäure KW - photoinduziert KW - saure Phosphatase KW - Hochleistungs-LED-Array Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434353 ER - TY - THES A1 - Jantzen, Friederike T1 - Genetic basis and adaptive significance of repeated scent loss in selfing Capsella species T1 - Genetische Grundlage und Adaptive Signifikanz von wiederholtem Duftverlust bei selbstenden Capsella Arten N2 - Floral scent is an important way for plants to communicate with insects, but scent emission has been lost or strongly reduced during the transition from pollinator-mediated outbreeding to selfing. The shift from outcrossing to selfing is not only accompanied by scent loss, but also by a reduction in other pollinator-attracting traits like petal size and can be observed multiple times among angiosperms. These changes are summarized by the term selfing syndrome and represent one of the most prominent examples of convergent evolution within the plant kingdom. In this work the genus Capsella was used as a model to study convergent evolution in two closely related selfers with separate transitions to self-fertilization. Compared to their outbreeding ancestor C. grandiflora, the emission of benzaldehyde as main compound of floral scent is lacking or strongly reduced in the selfing species C. rubella and C. orientalis. In C. rubella the loss of benzaldehyde was caused by mutations to cinnamate:CoA ligase CNL1, but the biochemical basis and evolutionary history of this loss remained unknown, together with the genetic basis of scent loss in C. orientalis. Here, a combination of plant transformations, in vitro enzyme assays, population genetics and quantitative genetics has been used to address these questions. The results indicate that CNL1 has been inactivated twice independently by point mutations in C. rubella, leading to a loss of benzaldehyde emission. Both inactivated haplotypes can be found around the Mediterranean Sea, indicating that they arose before the species´ geographical spread. This study confirmed CNL1 as a hotspot for mutations to eliminate benzaldehyde emission, as it has been suggested by previous studies. In contrast to these findings, CNL1 in C. orientalis remains active. To test whether similar mechanisms underlie the convergent evolution of scent loss in C. orientalis a QTL mapping approach was used and the results suggest that this closely related species followed a different evolutionary route to reduce floral scent, possibly reflecting that the convergent evolution of floral scent is driven by ecological rather than genetic factors. In parallel with studying the genetic basis of repeated scent loss a method for testing the adaptive value of individual selfing syndrome traits was established. The established method allows estimating outcrossing rates with a high throughput of samples and detects successfully insect-mediated outcrossing events, providing major advantages regarding time and effort compared to other approaches. It can be applied to correlate outcrossing rates with differences in individual traits by using quasi-isogenic lines as demonstrated here or with environmental or morphological parameters. Convergent evolution can not only be observed for scent loss in Capsella but also for the morphological evolution of petal size. Previous studies detected several QTLs underlying the petal size reduction in C. orientalis and C. rubella, some of them shared among both species. One shared QTL is PAQTL1 which might map to NUBBIN, a growth factor. To better understand the morphological evolution and genetic basis of petal size reduction, this QTL was studied. Mapping this QTL to a gene might identify another example for a hotspot gene, in this case for the convergent evolution of petal size. N2 - Blütenduft stellt einen wichtigen Kommunikationsweg für Pflanzen mit ihrer Außenwelt dar, jedoch ging die Emission von Duftstoffen während des Übergangs von Bestäuber-vermittelter Auskreuzung zur Selbstung verloren oder wurde stark reduziert. Dieser Wandel des Fortpflanzungssystems wurde nicht nur vom Duftverlust begleitet, sondern auch von einer Reduktion anderer Merkmale, die Bestäuber anlocken, so zum Beispiel auch einer verringerten Blütenblattgröße. Diese veränderten Merkmale werden unter dem Begriff Selbstungssyndrom zusammengefasst und können mehrfach in der Evolution von Angiospermen beobachtet werden. Der Übergang von Auskreuzung zu Selbstung und die damit einhergehende Veränderung von Blüten stellt eines der bekanntesten Beispiele für konvergente Evolution im Pflanzenreich dar. In dieser Arbeit wurde die Gattung Capsella als Modell für die Untersuchung konvergenter Evolution genutzt, da sie zwei eng verwandte selbstbestäubende Arten enthält, die unabhängig voneinander den Übergang zur Selbstbefruchtung vollzogen. Verglichen mit dem auskreuzendem Vorfahr C. grandiflora, ist die Emission von Benzaldehyd als Hauptbestandteil des Blütenduftes in den selbstbestäubenden Arten C. rubella und C. orientalis verloren gegangen oder stark reduziert. Der Verlust von Benzaldehyd wurde in C. rubella durch Mutationen in der Cinnamat:CoA Ligase CNL1 verursacht, die biochemische Grundlage und evolutionäre Geschichte dieses Verlustes waren jedoch unbekannt, ebenso wie die genetische Grundlage für den Duftverlust von C. orientalis. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination aus transformierten Pflanzen, in vitro Enzymassays, Populationsgenetik und quantitativer Genetik genutzt, um diese Fragen zu beantworten. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass in C. rubella CNL1 zweimal unabhängig voneinander durch Punktmutationen inaktiviert wurde und diese zu einem Verlust der Benzaldehydemission führten. Beide inaktive Haplotypen können in Populationen rund um das Mittelmeer detektiert werden, was dafür spricht, dass die Mutationen auftraten, bevor sich die Art geografisch ausbreiten konnte. Diese Arbeit bestätigt, dass CNL1 ein sogenannter Hotspot für die Eliminierung der Benzaldehydemission ist, wie es schon von vorhergehenden Arbeiten angedeutet wurde. Im Gegensatz dazu verbleibt CNL1 in C. orientalis funktionsfähig. Um herauszufinden, ob bei dieser Art ähnliche Mechanismen der konvergenten Evolution zum Duftverlust führten, wurde ein QTL-Kartierungsansatz gewählt. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass hier die Duftreduktion auf einem evolutionär anderen Weg erreicht wurde als in C. rubella, eventuell spiegelt dies wider, dass die Evolution von Blütenduft eher durch ökologische als genetische Faktoren angetrieben wird. Parallel zur Aufklärung der genetischen Basis von wiederholtem Duftverlust wurde eine Methode zum Testen des adaptiven Wertes einzelner Merkmale des Selbstungssyndromes etabliert. Diese Methode erlaubt es, Auskreuzungsraten mit einem hohen Probendurchsatz abzuschätzen, und es konnte gezeigt werden, dass sie erfolgreich Auskreuzungsereignisse detektiert, die von Insekten vermittelt wurden. Diese neue Methode bringt einige Vorteile gegenüber bisher angewandten Protokollen mit sich; sie ist wesentlich schneller und eine Vielzahl an Proben lässt sich mit deutlich geringerem Aufwand analysieren. Dies ermöglicht eine Korrelation der Auskreuzungsrate mit unterschiedlichen Merkmalen, indem, wie hier demonstriert, quasi-isogene Linien verwendet werden. Denkbar wäre auch eine Kombination mit anderen morphologischen oder ökologischen Parametern, um deren Einfluss auf die Auskreuzungsrate zu untersuchen. Konvergente Evolution kann nicht nur beim Duftverlust in der Gattung Capsella beobachtet werden, sondern auch bei der morphologischen Evolution der Petalengröße. Vorhergehende Studien fanden mehrere QTL, die der Reduktion der Petalengröße in C. rubella und C. orientalis unterliegen, manche von ihnen sind sogar in beiden Spezies zu finden. Einer der gemeinsamen QTL ist PAQTL1, der vielleicht auf NUBBIN zurückgeführt werden kann, einem Wachstumsfaktor. Um die morphologische Evolution und die genetische Grundlage der Reduktion der Petalengröße besser zu verstehen, soll dieser QTL weiter charakterisiert werden, da ihm eventuell ein Hotspot-Gen für die konvergente Evolution der Petalengröße unterliegen könnte. KW - Capsella KW - selfing syndrome KW - floral scent KW - outcrossing rate KW - benzaldehyde KW - CNL1 KW - Capsella KW - Selbstungssyndrom KW - Blütenduft KW - Auskreuzungsrate KW - Benzaldehyd KW - CNL1 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-435253 ER - TY - THES A1 - Jakobs, Friedrich T1 - Dubrovin–rings and their connection to Hughes–free skew fields of fractions T1 - Dubrovinringe und ihre Verbindung zu Hughes-freien Quotientenschiefkörpern N2 - One method of embedding groups into skew fields was introduced by A. I. Mal'tsev and B. H. Neumann (cf. [18, 19]). If G is an ordered group and F is a skew field, the set F((G)) of formal power series over F in G with well-ordered support forms a skew field into which the group ring F[G] can be embedded. Unfortunately it is not suficient that G is left-ordered since F((G)) is only an F-vector space in this case as there is no natural way to define a multiplication on F((G)). One way to extend the original idea onto left-ordered groups is to examine the endomorphism ring of F((G)) as explored by N. I. Dubrovin (cf. [5, 6]). It is possible to embed any crossed product ring F[G; η, σ] into the endomorphism ring of F((G)) such that each non-zero element of F[G; η, σ] defines an automorphism of F((G)) (cf. [5, 10]). Thus, the rational closure of F[G; η, σ] in the endomorphism ring of F((G)), which we will call the Dubrovin-ring of F[G; η, σ], is a potential candidate for a skew field of fractions of F[G; η, σ]. The methods of N. I. Dubrovin allowed to show that specific classes of groups can be embedded into a skew field. For example, N. I. Dubrovin contrived some special criteria, which are applicable on the universal covering group of SL(2, R). These methods have also been explored by J. Gräter and R. P. Sperner (cf. [10]) as well as N.H. Halimi and T. Ito (cf. [11]). Furthermore, it is of interest to know if skew fields of fractions are unique. For example, left and right Ore domains have unique skew fields of fractions (cf. [2]). This is not the general case as for example the free group with 2 generators can be embedded into non-isomorphic skew fields of fractions (cf. [12]). It seems likely that Ore domains are the most general case for which unique skew fields of fractions exist. One approach to gain uniqueness is to restrict the search to skew fields of fractions with additional properties. I. Hughes has defined skew fields of fractions of crossed product rings F[G; η, σ] with locally indicable G which fulfill a special condition. These are called Hughes-free skew fields of fractions and I. Hughes has proven that they are unique if they exist [13, 14]. This thesis will connect the ideas of N. I. Dubrovin and I. Hughes. The first chapter contains the basic terminology and concepts used in this thesis. We present methods provided by N. I. Dubrovin such as the complexity of elements in rational closures and special properties of endomorphisms of the vector space of formal power series F((G)). To combine the ideas of N.I. Dubrovin and I. Hughes we introduce Conradian left-ordered groups of maximal rank and examine their connection to locally indicable groups. Furthermore we provide notations for crossed product rings, skew fields of fractions as well as Dubrovin-rings and prove some technical statements which are used in later parts. The second chapter focuses on Hughes-free skew fields of fractions and their connection to Dubrovin-rings. For that purpose we introduce series representations to interpret elements of Hughes-free skew fields of fractions as skew formal Laurent series. This 1 Introduction allows us to prove that for Conradian left-ordered groups G of maximal rank the statement "F[G; η, σ] has a Hughes-free skew field of fractions" implies "The Dubrovin ring of F [G; η, σ] is a skew field". We will also prove the reverse and apply the results to give a new prove of Theorem 1 in [13]. Furthermore we will show how to extend injective ring homomorphisms of some crossed product rings onto their Hughes-free skew fields of fractions. At last we will be able to answer the open question whether Hughes--free skew fields are strongly Hughes-free (cf. [17, page 53]). N2 - In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Quotientenschiefkörpern von verschränkten Produkten F [G; η, σ], wobei G eine Gruppe und F ein Schiefkörper ist. Eine Methode Gruppen in Schiefkörper einzubetten stammt von A. I. Mal’tsev und B. H. Neumann. Ist G eine beidseitig geordnete Gruppe, so lässt sich die Menge der formalen Potenzreihen F ((G)) über F in G mit wohlgeordnetem Träger als Schiefkörper interpretieren. In diesen lässt sich jedes verschränkte Produkt F [G; η, σ] einbetten. Möchte man die Klasse der einzubettenden Gruppen erweitern, so bieten sich links–geordnete Gruppen an. In diesem Fall hat F ((G)) keine natürliche Ringstruktur, aber man kann nutzen, dass F ((G)) ein rechter F–Vektorraum ist und seinen Endomorphismenring untersuchen. Jedes Verschränkte Produkt F [G; η, σ] lässt sich derart in den Endomorphismenring einbetten, dass die zugehörigen von Null verschiedenen Endomorphismen Automorphismen sind. Der rationale Abschluss von F [G; η, σ] in End(F ((G))), den wir Dubrovinring von F [G; η, σ] nennen, ist somit ein potentieller Quotientenschiefkörper von F [G; η, σ]. Neben der Existenz von Quotientenschiefkörpern ist deren Eindeutigkeit (bis auf Isomorphie) von Interesse. Im Gegensatz zum kommutativen Fall sind Quotientenschiefkörper im Allgemeinen nicht eindeutig. So lässt sich beispielsweise die freie Gruppe mit zwei Erzeugenden in nicht–isomorphe Quotientenschiefkörper einbetten. Eine große Klasse an Ringen, die eindeutige Quotientenschiefkörper besitzen, sind Ore–Bereiche. Vermutlich lässt sich diese Klasse nicht erweitern, ohne zusätzliche Eigenschaften der Quotientenschiefkörper zu verlangen. Eine solche Eigenschaft, im Folgenden Hughes–frei genannt, wurde von I. Hughes vorgeschlagen. Er konnte beweisen, dass Hughes–freie Quotientenschiefkörper eindeutig sind, wenn sie existieren. In dieser Arbeit verbinden wir die Ideen von I. Hughes und N. I. Dubrovin. Wir zeigen, dass die Elemente von Hughes–freien Quotientenschiefkörpern als formale schiefe Laurent–Reihen dargestellt werden können und dass diese Darstellungen in gewisser Weise eindeutig sind. Dieses Ergebnis nutzen wir um zu beweisen, dass die Aussagen “F [G; η, σ] besitzt einen Hughes–freien Quotientenschiefkörper” und “Der Dubrovinring von F [G; η, σ] ist ein Schiefkörper” äquivalent sind, wenn G eine links–geordnete Gruppe von Conrad–Typ mit maximalem Rang ist. Wir stellen den nötigen Begriffsapparat zur Verfügung. Dieser basiert vorwiegend auf den Arbeiten von N. I. Dubrovin und umfasst spezielle Eigenschaften der Endomorphismen von F ((G)) sowie die Komplexität von Elementen in rationalen Abschlüssen. Des Weiteren gehen wir auf links–geordnete Gruppen von Conrad–Typ ein und untersuchen ihren Zusammenhang mit lokal indizierbaren Gruppen, die eine grundlegende Rolle für Hughes–freie Quotientenschiefkörper spielen. Wir werden zeigen können, dass Dubrovinringe, die Schiefkörper sind, stark Hughes–freie Quotientenschiefkörper sind, was die offene Frage beantwortet, ob Hughes–freie Quotientenschiefkörper stark Hughes–frei sind. Außerdem werden wir einen alternativen Beweis der Eindeutigkeit von Hughes–freien Quotientenschiefkörpern präsentieren und die Fortsetzbarkeit von Automorphismen eines verschränkten Produkts auf Hughes–freie Quotientenschiefkörper untersuchen. KW - Hughes-free KW - Dubrovinring KW - left ordered groups KW - Conradian ordered groups KW - skew field of fraction KW - locally indicable KW - series representation KW - strongly Hughes-free KW - Hughes-frei KW - Dubrovinring KW - linksgeordnete Gruppen KW - geordnete Gruppen von Conrad-Typ KW - Quotientenschiefkörper KW - lokal indizierbar KW - Reihendarstellungen KW - stark Hughes-frei Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-435561 ER - TY - THES A1 - Jadhav Sudam, Sagar T1 - Metabolic regulation and key genes of tomato secondary metabolism T1 - Stoffwechselregulation und Schlüsselgene des Sekundärstoffwechsels in Tomaten N2 - Domestication syndrome has resulted in the large loss of genetic variation of crop plants. Because of such genetic loss, productivity of various beneficial secondary (specialized) metabolites that protect against abiotic/biotic stresses, has been narrowed in many domesticated crops. Many key regulators or structural genes of secondary metabolic pathways in the domesticated as well as wild tomatoes are still largely unknown. In recent studies, metabolic quantitative trait loci (mQTL) analysis using the population of introgression lines (ILs), each containing a single introgression from Solanum pennellii (wild tomato) in the genetic background of domesticated tomato (M82, Solanum lycopersicum), has been used for investigation of metabolic regulation and key genes involved in both primary and secondary metabolism. In this thesis, three research projects, i) understanding of metabolic linkage between branched chain amino acids (BCAAs) and secondary metabolism using antisense lines of BCAAs metabolic genes, ii) investigation of novel key genes involved in tomato secondary metabolism and fruit ripening, iii) mapping of drought stress responsive mQTLs in tomato, are presented and discussed. In the first part, metabolic linkage between leucine and secondary metabolism is investigated by analyzing antisense lines of four key genes (ketol-acid reductoisomerase, KARI; dihydroxy-acid dehydratase, DHAD; isopropylmalate dehydratase, IPMD and branched chain aminotransferases1, BCAT1) found previously in mQTL of leucine contents. Obtained results indicate that KARI might be a rate limiting enzyme for iC5 acyl-sucrose synthesis in young leaf but not in red ripe fruits. By integrating obtained results with previous reports, inductive metabolic linkage between BCAAs and other secondary metabolic pathways at DHAD transcriptional levels in fruit is proposed. In the second part, candidate genes that are involved in secondary metabolism and fruit ripening in tomato were found by the approach of expression quantitative trait loci (eQTL) analysis. To predict functions of those candidate genes, functional validation by virus induced gene silencing and transient overexpression were performed. Results obtained by analyzing T0 overexpression and artificial miRNA lines for some of those candidates confirm their predicted functions, for example involved in fruit ripening (WD40, Solyc04g005020) and iC5 acyl-sucrose synthesis (P450, Solyc03g111940). In the third part, mapping of drought stress responsive mQTLs was performed using 57 S. pennellii ILs population. Evaluation of genetic architecture of mQTL analysis resulted in identifying drought responsive ILs (11-2, 8-3-1, 10-1-1 and 3-1). Location of well characterized regulators in these ILs helped to filter potential new key genes involved in drought stress tolerance. Obtained results suggests us our approaches could be viable for narrowing down potential candidates involved in creating interspecific variation in secondary metabolite content and at the level of fruit ripening. N2 - Das Domestikationssyndrom hat zu einem großen Verlust an genetischer Variation von Kulturpflanzen geführt. Aufgrund dieses genetischen Verlustes ist die Produktivität verschiedener nützlicher, sekundärer (spezialisierter) Metabolite, die gegen abiotische/biotische Belastungen schützen, in vielen domestizierten Nutzpflanzen eingeschränkt worden. Viele Schlüsselregulatoren oder Strukturgene des Sekundärstoffwechsels sind sowohl in den domestizierten als auch in den wilden Tomaten noch weitgehend unbekannt. In neueren Studien wurde die mQTL-Analyse (metabolic quantitative trait loci) durchgeführt, unter Verwendung der Solanum pennellii Introgressionslinienpopulation (ILs), um Stoffwechselregulation und Schlüsselgene zu untersuchen, die sowohl am Primär- als auch am Sekundärstoffwechsel beteiligt sind. In dieser Doktorarbeit werden drei Forschungsprojekte vorgestellt und diskutiert, i) Verständnis der metabolischen Verbindung zwischen verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs branched-chain amino acids) und dem Sekundärstoffwechsel unter Verwendung von Antisense-Linien von metabolischen Genen der BCAAs, ii) Untersuchung neuer Schlüsselgene im Tomaten-Sekundärstoffwechsel und Fruchtreifung, iii ) Kartierung mQTLs in Tomaten, die auf Trockenstress ansprechen. Im ersten Teil wird die metabolische Verknüpfung zwischen Leucin und dem Sekundärmetabolismus untersucht, indem Antisense-Linien von vier Schlüsselgenen (Ketol-Säure-Reduktoisomerase, KARI; Dihydroxysäuredehydratase, DHAD; Isopropylmalatdehydratase, IPMD und verzweigtkettige Aminotransferasen1, BCAT1) untersucht werden, die in mQTLs für den Leucingehalt gefunden wurden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass KARI ein geschwindigkeitslimitierendes Enzym für die iC5-Acyl-Saccharosesynthese in jungen Blättern, aber nicht in roten reifen Früchten sein könnte. Durch Integration der erhaltenen Ergebnisse mit früheren Berichten wird eine induktive metabolische Verbindung zwischen BCAAs und anderen sekundären Stoffwechselwegen auf DHAD-Transkriptionsebene in Früchten vorgeschlagen. Im zweiten Teil wurden Kandidatengene gefunden, die am sekundären Metabolismus und der Fruchtreife von Tomaten beteiligt sind, durch den Ansatz der eQTL-Analyse (expression QTL). Um die Funktionen dieser Kandidatengene vorherzusagen, wurde eine funktionelle Validierung durch virusinduziertes Gen-Silencing und transiente Überexpression durchgeführt. Ergebnisse, die durch Analyse von T0-Überexpressions- und künstlichen miRNA-Linien für einige dieser Kandidatengene erhalten wurden, bestätigen ihre vorhergesagten Funktionen, z. B. Beteiligt an Fruchtreifung (WD40, Solyc04g005020) und iC5-Acylsaccharosesynthese (P450, Solyc03g111940). Im dritten Teil wurde die Kartierung von auf Trockenstress ansprechenden mQTLs unter Verwendung von 57 S. pennellii-IL-Populationen durchgeführt. Die Evaluierung der genetischen Architektur der mQTL-Analyse führte zur Identifizierung von ILs, die auf Trockenheit ansprechen (11-2, 8-3-1, 10-1-1 und 3-1). Die Position gut charakterisierter Regulatoren in diesen ILs half dabei, potenzielle neue Schlüsselregulatoren, die an der Toleranz gegenüber Trockenstress beteiligt sind, heraus zu filtern. Die erhaltenen Ergebnisse legen nahe, dass unsere Ansätze geeignet sein könnten, potentielle Kandidatengene einzugrenzen, die interspezifische Unterschiede im Sekundärmetabolitengehalt verursachen. KW - metabolic regulation KW - expression Quantitative Trait Loci KW - metabolic Quantitative Trait Loci KW - branched chain amino acids KW - Introgression Lines KW - Stoffwechselregulation KW - verzweigtkettige Aminosäuren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424478 ER - TY - THES A1 - Hornick, Thomas T1 - Impact of climate change effects on diversity and function of pelagic heterotrophic bacteria studied in large-scale mesocosm facilities T1 - Studien zum Einfluss des Klimawandels auf die Diversität und Funktion pelagischer heterotropher Bakterien in Mesokosmen N2 - Seit der Industriellen Revolution steigt die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen in der Erdatmosphäre stetig an, wodurch wesentliche Prozesse im Erdsystem beeinflusst werden. Dies wird mit dem Begriff „Klimawandel“ umschrieben. Aquatische Ökosysteme sind sehr stark davon betroffen, da sie als Integral vieler Prozesse in einer Landschaft fungieren. Ziel dieser Doktorarbeit war zu bestimmen, wie verschiedene Auswirkungen des Klimawandels die Gemeinschaftsstruktur und Aktivität von heterotrophen Bakterien in Gewässern verändert, welche eine zentrale Rolle bei biogeochemischen Prozessen einnehmen. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Aspekte des Klimawandels: (1) Ozeane nehmen einen Großteil des atmosphärischen CO2 auf, welches im Meerwasser das chemische Gleichgewicht des Karbonatsystems verschiebt („Ozeanversauerung“). (2) Durch kontinuierlichen Anstieg der Erdoberflächentemperatur werden Veränderungen im Klimasystem der Erde vorhergesagt, welche u. a. die Häufigkeit und Heftigkeit von episodischen Wetterereignissen (z.B. Stürme) verstärken wird. Insbesondere Sommer-Stürme sind dabei in der Lage die sommerliche Temperaturschichtung der Wassersäule in Seen zu zerstören. Beide Effekte des Klimawandels können weitreichende Auswirkungen auf Wasserchemie/-physik sowie die Verteilung von Organismen haben, was mittels Mesokosmen simuliert wurde. Dabei untersuchten wir den Einfluss der Ozeanversauerung auf heterotrophe bakterielle Prozesse in der Ostsee bei geringen Konzentrationen an gelösten Nährstoffen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Ozeanversauerungseffekte in Kombination mit Nährstofflimitation indirekt das Wachstum von heterotrophen Bakterien durch veränderte trophische Interaktionen beeinflussen können und potentiell zu einer Erhöhung der Autotrophie des Ökosystems führen. In einer weiteren Studie analysierten wir, wie Ozeanversauerung die Umsetzung und Qualität gelösten organischen Materials (DOM) durch heterotrophe Bakterien beeinflussen kann. Die Ergebnisse weisen jedoch darauf hin, dass Änderungen in der DOM-Qualität durch heterotrophe bakterielle Prozesse mit zunehmender Ozeanversauerung unwahrscheinlich sind. Desweiteren wurde der Einfluss eines starken Sommer-Sturmes auf den stratifizierten, oligotroph-mesotrophen Stechlinsee simuliert. Mittels oberflächlicher Durchmischung in Mesokosmen wurde die bestehende Thermokline zerstört und die durchmischte Oberflächenwasserschicht vergrößert. Dies änderte die physikalischen und chemischen Gradienten innerhalb der Wassersäule. Effekte der Einmischung von Tiefenwasser änderten in der Folge die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur und stimulierten das Wachstum filamentöser Cyanobakterien, die zu einer Cyanobakterien-Blüte führte und so maßgeblich die metabolischen Prozesse von heterotrophen Bakterien bestimmte. Unsere Studie gibt ein mechanistisches Verständnis, wie Sommer-Stürme bakterielle Gemeinschaften und Prozesse für längere Zeit während der sommerlichen Stratifizierung beeinflussen können. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen Veränderungen bakterieller Gemeinschaften und Prozesse, welche mit dem einhergehenden Klimawandel erwartet werden können. Diese sollten bei Beurteilung klimarelevanter Fragen hinsichtlich eines zukünftigen Gewässer-managements Berücksichtigung finden. N2 - The unprecedented increase in atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases (GHG) by anthropogenic activities since the Industrial Revolution impacts on various earth system processes, commonly referred to as `climate change´ (CC). CC faces aquatic ecosystems with extreme abiotic perturbations that potentially alter the interrelations between functional autotrophic and heterotrophic plankton groups. These relations, however, modulate biogeochemical cycling and mediate the functioning of aquatic ecosystems as C sources or sinks to the atmosphere. The aim of this thesis was therefore to investigate how different aspects of CC influence community composition and functioning of pelagic heterotrophic bacteria. These organisms constitute a major component of biogeochemical cycling and largely determine the balance between autotrophic and heterotrophic processes. Due to the vast amount of potential CC impacts, this thesis focuses on the following two aspects: (1) Increased exchange of CO2 across the atmosphere-water interface and reaction of CO2 with seawater leads to profound shifts in seawater carbonate chemistry, commonly termed as `ocean acidification´ (OA), with consequences for organism physiology and the availability of dissolved inorganic carbon (DIC) in seawater. (2) The increase in atmospheric GHG concentration impacts on the efficiency with which the Earth cools to space, affecting global surface temperature and climate. With ongoing CC, shifts in frequency and severity of episodic weather events, such as storms, are expected that in particular might affect lake ecosystems by disrupting thermal summer stratification. Both aspects of CC were studied at the ecosystem-level in large-volume mesocosm experiments by using the Kiel Off-shore Mesocosms for Future Ocean Simulations (KOSMOS) deployed at different coastal marine locations, and the LakeLab facility in Lake Stechlin. We evaluated the impact of OA on heterotrophic bacterial metabolism in a brackish coastal ecosystem during low-nutrient summer months in the Baltic Sea. There are several in situ experiments that already assessed potential OA-induced changes in natural plankton communities at diverse spatial and seasonal conditions. However, most studies were performed at high phytoplankton biomass conditions, partly provoked by nutrient amendments. Our study highlights potential OA effects at low-nutrient conditions that are representative for most parts of the ocean and of particular interest in current OA research. The results suggest that during extended periods at low-nutrient concentrations, increasing pCO2 levels indirectly impact the growth balance of heterotrophic bacteria via trophic bacteria-phytoplankton interactions and shift the ecosystem to a more autotrophic system. Further work investigated how OA affects heterotrophic bacterial dissolved organic matter (DOM) transformation in two mesocsom studies, performed at different nutrient conditions. We observed similar succession patterns for individual compound pools during a phytoplankton bloom and subsequent accumulation of these compounds irrespective of the pCO2 treatment. Our results indicate that OA-induced changes in the dynamics of bacterial DOM transformation and potential impacts on DOM quality are unlikely. In addition, there have been no indications that in dependence of nutrient conditions, different amounts of photosynthetic organic matter are channelled into the more recalcitrant DOM pool. This provides novel insights into the general dynamics of the marine DOM pool. A fourth enclosure experiment in oligo-mesotrophic Lake Stechlin assessed the impact of a severe summer storm on lake bacterial communities during thermal stratification by artificially mixing. Mixing disrupted and lowered the thermocline, increasing the upper mixed layer and substantially changed water physical-chemical variables. Deep water entrainment and associated changes in water physical-chemical variables significantly affected relative bacterial abundances for about one week. Afterwards a pronounced cyanobacterial bloom developed in response to mixing which affected community assembly of heterotrophic bacteria. Colonization and mineralization of senescent phytoplankton cells by heterotrophic bacteria largely determined C-sequestration to the sediment. About six weeks after mixing, bacterial communities and measured activity parameters converged to control conditions. As such, summer storms have the potential to affect bacterial communities for a prolonged period during summer stratification. The results highlight effects on community assembly and heterotrophic bacterial metabolism that are associated to entrainment of deep water into the mixed water layer and assess consequences of an episodic disturbance event for the coupling between bacterial metabolism and autochthonous DOM production in large volume clear-water lakes. Altogether, this doctoral thesis reveales substantial sensitivities of heterotrophic bacterial metabolism and community structure in response to OA and a simulated summer storm event, which should be considered when assessing the impact of climate change on marine and lake ecosystems. KW - climate change KW - ocean acidification KW - Ozeanversauerung KW - Klimawandel KW - Gewässerökologie KW - heterotrophic bacteria Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428936 ER - TY - THES A1 - Hoffmann, Mathias T1 - Improving measurement and modelling approaches of the closed chamber method to better assess dynamics and drivers of carbon based greenhouse gas emissions N2 - The trace gases CO2 and CH4 pertain to the most relevant greenhouse gases and are important exchange fluxes of the global carbon (C) cycle. Their atmospheric quantity increased significantly as a result of the intensification of anthropogenic activities, such as especially land-use and land-use change, since the mid of the 18th century. To mitigate global climate change and ensure food security, land-use systems need to be developed, which favor reduced trace gas emissions and a sustainable soil carbon management. This requires the accurate and precise quantification of the influence of land-use and land-use change on CO2 and CH4 emissions. A common method to determine the trace gas dynamics and C sink or source function of a particular ecosystem is the closed chamber method. This method is often used assuming that accuracy and precision are high enough to determine differences in C gas emissions for e.g., treatment comparisons or different ecosystem components. However, the broad range of different chamber designs, related operational procedures and data-processing strategies which are described in the scientific literature contribute to the overall uncertainty of closed chamber-based emission estimates. Hence, the outcomes of meta-analyses are limited, since these methodical differences hamper the comparability between studies. Thus, a standardization of closed chamber data acquisition and processing is much-needed. Within this thesis, a set of case studies were performed to: (I) develop standardized routines for an unbiased data acquisition and processing, with the aim of providing traceable, reproducible and comparable closed chamber based C emission estimates; (II) validate those routines by comparing C emissions derived using closed chambers with independent C emission estimates; and (III) reveal processes driving the spatio-temporal dynamics of C emissions by developing (data processing based) flux separation approaches. The case studies showed: (I) the importance to test chamber designs under field conditions for an appropriate sealing integrity and to ensure an unbiased flux measurement. Compared to the sealing integrity, the use of a pressure vent and fan was of minor importance, affecting mainly measurement precision; (II) that the developed standardized data processing routines proved to be a powerful and flexible tool to estimate C gas emissions and that this tool can be successfully applied on a broad range of flux data sets from very different ecosystem; (III) that automatic chamber measurements display temporal dynamics of CO2 and CH4 fluxes very well and most importantly, that they accurately detect small-scale spatial differences in the development of soil C when validated against repeated soil inventories; and (IV) that a simple algorithm to separate CH4 fluxes into ebullition and diffusion improves the identification of environmental drivers, which allows for an accurate gap-filling of measured CH4 fluxes. Overall, the proposed standardized data acquisition and processing routines strongly improved the detection accuracy and precision of source/sink patterns of gaseous C emissions. Hence, future studies, which consider the recommended improvements, will deliver valuable new data and insights to broaden our understanding of spatio-temporal C gas dynamics, their particular environmental drivers and underlying processes. N2 - Die Spurengase CO2 und CH4 gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Treibhausgasen und sind zugleich wichtige Austauschflüsse im globalen Kohlenstoff-(C)-Kreislauf. Als Ergebnis zunehmender anthropogener Aktivitäten insbesondere auch im Bereich der Landnutzung und des Landnutzungswandel stiegen seit Mitte des 18 Jahrhunderts die atmosphärischen CO2 und CH4 Konzentrationen deutlich an. Um die zu erwartenden Auswirkungen des globalen Klimawandels abzuschwächen aber auch um die weltweite Ernährungssicherheit zu gewährleisten, bedarf es der Entwicklung neuer Landnutzungssysteme welche sich durch verminderte Treibhausgasemissionen und ein nachhaltiges Management der Bodenkohlenstoffvorrate auszeichnen. Dies erfordert die akkurate und präzise Quantifizierung des Einflusses von Landnutzung und Landnutzungswandel auf die CO2 und CH4 Emissionen. Eine gängige Methode zur Bestimmung von Spurengasemissionen und darauf aufbauend der C Senken bzw. Quellenfunktion verschiedenster Ökosysteme stellen Haubenmessungen dar. Unterschiedliche Haubendesigns, Messprozeduren und Strategien bei der Datenaufbereitung führen jedoch mitunter zu erheblichen Unsicherheiten bei den gemessenen C Emissionen. Dies kann die Aussagekraft von Metastudien maßgeblich beeinträchtigen, da die Vergleichbarkeit mittels geschlossener Hauben durchgeführter Untersuchungen nicht gewährleistet werden kann. Daher ist eine Standardisierung der Erfassung und Auswertung von Haubenmessungen dringend erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb eine Reihe von Fallstudien durchgeführt um: (I) standardisierte Routinen zu entwickeln welche eine fehlerfreiere Datenerfassung und Bearbeitung von Haubenmessungen erlauben und so nachvollziehbare, reproduzierbare und vergleichbare C Emissionen liefern; (II) erarbeitete Routinen zu validieren indem auf geschlossenen Haubenmessungen basierende C Emissionen mit unabhängigen Daten verglichen werden; und (III) mittels entwickelter Separationsverfahren Teilflüsse präzise zu quantifizieren um Beziehungen zwischen CO2 und CH4 Flüssen und ihren Treibern besser analysieren zu können. Die durchgeführten Fallstudien zeigen: (I) die Notwendigkeit eingesetzte Hauben unter möglichst realistischen (Feld)-Bedingungen hinsichtlich ihrer Dichtigkeit (insbesondere an der Abdichtung zwischen Rahmen und Haube) zu überprüfen, da nur so fehlerfreie Messungen sichergestellt werden können; (II) das die entwickelten Routinen zur standardisierten Datenbearbeitung ein geeignetes flexibles Werkzeug darstellen um eine verlässliche Abschatzung gasförmige C Emissionen vorzunehmen; (III) das die zeitliche Dynamik von CO2 und CH4 Flüssen sowie kleinräumige Unterschiede in der Entwicklung von Bodenkohlenstoffvorraten gut mittels automatischer Haubenmesssysteme erfasst werden können (Validierung der Ergebnisse mittels wiederholter Bodeninventarisierung); und (IV) das ein einfacher Algorithmus zur Separation von CH4 in seine Flusskompartimente (blasenförmiger Massenfluss vs. Diffusion) die Identifizierung von Treibern verbessert und so ein akkurateres Füllen von Messlücken ermöglicht. Die in der Arbeit vorgestellten Routinen zur standardisierten Datenerfassung und Bearbeitung finden gegenwärtig national wie international Anwendung und helfen somit bei der Generierung vergleichbarer, akkurater und präziser Abschätzungen von standort-/ökosystemspezifischen C Emissionen. N2 - Следовые газы CO2 и CH4 относятся к наиболее значимым парниковым газам и являются важнейшими компонентами глобального углеродного (С) цикла. С середины XVIII столетия их атмосферная концентрация значительно увеличилась, в результате возросшей антропогенной деятельности, в особенности за счет такой сферы как землепользование и изменение землепользования. С целью смягчения последствий глобального изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности, необходима разработка систем землепользования, которые будет способствовать сокращению эмиссии следовых газов и обеспечат устойчивое управление углеродными запасами почв. В свою очередь, это требует проведения аккуратной и точной количественной оценки воздействия землепользования и изменения землепользования на эмиссии CO2 и CH4. Стандартным способом для оценки динамики следовых газов и определения функции накопления или потери углерода экосистемой является метод закрытых камер. Данный метод часто используется с учетом предположения, что аккуратность и точность полученных результатов достаточно высоки, чтобы оценить разность между потоками углеродсодержащих газов. Например, при сравнении способов воздействия на экосистему либо для оценки углеродных потоков от ее компонентов. В научной литературе описано множество различных вариантов конструкций закрытых камер, связанных с ними операционных процедур и стратегий обработки данных. Это широкое разнообразие вносит свой вклад в общую неопределенность при оценке эмиссии парниковых газов методом закрытых камер. В результате, полученные на основе мета-анализа выводы обладают определенными ограничениями, т.к. методологические различия между разными исследованиями затрудняют сравнение их результатов. В связи с этим, необходимо проведение стандартизации сбора и обработки данных для методики закрытых камер. В рамках данных тезисов, был выполнен ряд тематических исследований с целью:(1) разработать для методики закрытых камер стандартизированные процедуры несмещенного сбора и обработки данных, которые позволят получить явно отслеживаемые, воспроизводимые и сопоставимые оценки углеродных потоков; (2) провести валидацию этих процедур, путем сравнения оценок потоков углерода, полученных методом закрытых камер с результатами оценки других независимых методов; (3) разработать, на основе анализа данных, способы для разделения углеродных потоков и установить процессы, регулирующие их пространственно-временную динамику. Результаты тематических исследований показали: (1) Важно проводить испытания конструкции камер на герметичность в полевых условиях и удостовериться, что измерения потоков углерода несмещенные. В сравнении с влиянием герметичности камеры, использование клапанов для выравнивания давления и вентиляторов имело несущественное значение и влияло только на точность измерений; (2) Было подтверждено, что разработанные стандартизированные методы обработки данных являются мощным и гибким инструментом оценки эмиссии углерода. На сегодняшний день эти методы успешно применяются на широком спектре разнообразных наборов данных углеродных потоков для различных типов экосистем; (3) Измерения, выполненные автоматическими закрытыми камерами, отчетливо демонстрируют временную динамику потоков CO2 и CH4 и, что наиболее важно, они хорошо выявляют мелкомасштабные пространственные различия в накоплении почвенного углерода, что было подтверждено с помощью повторяемой инвентаризации почвенных запасов углерода; (4) Простой алгоритм разделения эмиссии CH4 на потоки выбросов в виде диффузии газа и выделения в виде пузырей улучшает идентификацию экологических факторов, которые их регулируют, что позволяет более точно оценить эмиссии CH4 в периоды между измерениями. В целом предложенные стандартизированные методы сбора и обработки данных значительно увеличивают точность моделей выделения-поглощения газообразных углеродных эмиссий. Таким образом, будущие исследования, проведенные с учетом рекомендуемых усовершенствований, позволят получить новые ценные данные и гипотезы для расширения нашего понимания пространственно-временной динамики потоков углеродсодержащих газов, экологических факторов их регулирования и лежащих в их основе процессов. N2 - Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) font partie des gaz à effet de serre les plus importants et sont également des éléments majeurs du cycle global du carbone. Depuis le milieu du XVIIIe siècle, leur quantité dans l’atmosphère a considérablement augmenté en raison de l'intensification des activités anthropiques, notamment l'exploitation des terres et la modification de l'utilisation de ces dernières. Afin d’atténuer les effets du changement climatique et d’assurer la sécurité alimentaire, il faut mettre au point des systèmes d’utilisation des terres qui favorisent la réduction des émissions de gaz à effet de serre ainsi qu’une gestion durable des stocks de carbone dans les sols. Cela exige une quantification exacte et précise de l'influence de l'utilisation des terres et de la modification de l'utilisation des sols sur les émissions de CO2 et de CH4. La méthode à chambre fermée est une méthode courante pour déterminer l’évolution des gaz présents à faible concentration atmosphérique et du puits de carbone, ou pour analyser la fonction primaire d'un écosystème singulier. Cette méthode est souvent utilisée en supposant que l’exactitude et la précision sont suffisamment élevées pour déterminer les différences dans les émissions de gaz à effet de serre, par exemple pour comparer les traitements ou les différentes composantes de l’écosystème. Toutefois, la vaste gamme de conceptions de chambres différentes, les procédures de mesure et les stratégies de traitement des données décrites dans la documentation scientifique contribuent à l’incertitude générale quant à l’analyse des émissions récoltées en chambre fermée. Par conséquent, les résultats des méta-analyses sont limités, car ces différences méthodologiques entravent la comparabilité des études. La standardisation de l’acquisition et du traitement des données en chambre fermée est donc indispensable. Dans le cadre de cette thèse, une série d'études de cas ont été réalisées pour: (I) élaborer des routines standardisées pour l'acquisition et le traitement de données impartiales, dans le but de fournir des estimations des émissions de carbone en chambre fermée traçables, reproductibles et comparables; (II) valider ces routines en comparant les émissions de carbone obtenues par la méthode des chambres fermées avec des estimations indépendantes des émissions de carbone; et (III) révéler les processus qui déterminent la dynamique spatio-temporelle des émissions de carbone en développant un processus de traitement de données basé sur l’approche de la séparation des flux. Les études de cas montrent: (I) l'importance de tester la conception des chambres dans des conditions de terrain pour une étanchéité appropriée et pour assurer une mesure impartiale des flux. Comparé à l'intégrité de l'étanchéité, l'utilisation d'une soupape de compensation de pression et d'un ventilateur était d'une importance mineure, affectant principalement la précision des mesures; (II) que les routines de traitement des données standardisées développées se sont avérées être un outil puissant et flexible pour estimer les émissions de carbone. L'outil est maintenant appliqué avec succès sur un large éventail de séries de données de flux provenant d'écosystèmes très différents; (III) que les mesures faites à l’aide de chambres automatiques montrent très bien la dynamique temporelle des flux CO2 et de CH4 et, surtout, qu'elles détectent avec précision les différences spatiales à petite échelle dans le développement des réserves de carbone dans le sol lorsqu'elles sont validées par des inventaires périodiques du sol; et (IV) qu’un algorithme simple pour séparer les flux de CH4 en ébullition et en diffusion améliore l'identification de facteurs environnementaux, ce qui permet de combler avec précision les données manquantes des flux de CH4 mesurés. Dans l'ensemble, les routines standardisées proposées pour l'acquisition et le traitement des données ont grandement amélioré l'exactitude de la détection des profils source/évier des émissions de carbone gazeux. Par conséquent, les études futures, qui tiennent compte des améliorations recommandées, fourniront de nouvelles données et de nouvelles perspectives précieuses pour élargir notre compréhension de la dynamique spatio-temporelle du gaz carbone, de ses moteurs environnementaux spécifiques et des processus sous-jacents. N2 - Los gases traza CO2 y CH4 pertenecen a los gases de efecto invernadero más importantes del ciclo global del carbono (C). Su concentración en la atmósfera se ha incrementado significativamente desde mediados del siglo XVIII como resultado de la intensificación de las actividades antropogénicas, como el uso del suelo y el cambio en los usos de la tierra. Para mitigar el cambio climático global y garantizar la seguridad alimentaria es necesario desarrollar sistemas de uso del suelo que favorezcan la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y una gestión sostenible del carbono en el suelo. Esto requiere un cálculo exacto y preciso de la influencia del uso del suelo y de los cambios en el uso del suelo en las emisiones de CO2 y CH4. Un método común para determinar las dinámicas del gas traza y la función de fuente o sumidero de C de un ecosistema es el método de las cámaras cerradas. Este método se utiliza comúnmente asumiendo que la exactitud y precisión son lo suficientemente elevadas para determinar las diferencias en la emisiones de gases C, por ejemplo, comparaciones de tratamientos o de los diferentes componentes del ecosistema. Sin embargo, la amplia gama de diseños de cámaras, los procedimientos operativos relacionados y las estrategias de procesamiento de datos descritas en la literatura científica contribuyen a la incertidumbre general de las estimaciones de emisiones basadas en cámaras cerradas. Además, los resultados de los metanálisis son limitados, ya que estas diferencias metodológicas dificultan la comparabilidad entre los estudios. Por lo tanto, la estandarización en la obtención y procesamiento de datos en el método de la cámara cerrada es muy necesaria. En esta tesis se desarrollan un conjunto de casos de estudio para: (I) Desarrollar rutinas estandarizadas para una obtención y procesamiento de datos imparcial, con el objetivo de proporcionar estimaciones de emisiones de C basadas en cámaras cerradas trazables, reproducibles y comparables; (II) Validar esas rutinas comparando las emisiones de C derivadas del método de las cámaras cerradas con estimaciones independientes de emisiones de C; y (III) revelar procesos que impulsan la dinámica espacio temporal de las emisiones de C, a través del desarrollo de un proceso de tratamiento de datos basado en el enfoque de la separación de flujos. Los casos de estudio muestran: (I) La importancia de someter a prueba el diseño de las cámaras a las condiciones de campo para una apropiada integridad del sellado y para garantizar una medición de flujo imparcial. Comparado con la integridad del sellado, el uso de la ventilación a presión y del ventilador resultó de menor importancia, afectando principalmente a la precisión de las mediciones. (II) que las rutinas estandarizadas desarrolladas para el procesamiento de datos demostraron ser una herramienta poderosa y flexible para estimar las emisiones de gases de C. La herramienta ahora se aplica con éxito en una amplia gama de conjuntos de datos de flujo de ecosistemas muy diferentes; (III) que las mediciones con cámaras automáticas muestran claramente la dinámica temporal de las emisiones de CO2 y lo más importante, que detectan con precisión diferencias espaciales a pequeña escala en el desarrollo del C en el suelo cuando se validan con inventarios periódicos del suelo ; y (IV) que un simple algoritmo para separar flujos de CH4 entre ebullición y difusión mejora la identificación de los impulsores ambientales, lo cual permite un procedimiento más exacto para el relleno del vacío de datos de las mediciones de los flujos de CH4. En términos generales puede decirse que los algoritmos de obtención y procesamiento de datos estandarizados propuestos mejoraron en gran medida la precisión de detección de los patrones fuente / sumidero de emisiones de C gaseoso. Por lo tanto, los futuros estudios, que consideren las mejoras recomendadas, ofrecerán nuevos datos y conocimientos útiles para ampliar nuestra comprensión de la dinámica espacio-temporal del C de los gases, sus impulsores ambientales específicos y los procesos subyacentes. T2 - Verbesserung von Mess- und Modellierungsansätzen der geschlossenen Haubenmessmethode zur besseren Erfassung von raumzeitlichen Veränderungen und potentiellen Treibern kohlenstoffbasierter Treibhausgasemissionen KW - greenhouse gases KW - closed chamber method KW - carbon dioxide KW - methane KW - Kohlenstoffdioxid KW - geschlossene Haubenmessmethode KW - Treibhausgase KW - Methan Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421302 ER - TY - THES A1 - Hoang, Yen T1 - De novo binning strategy to analyze and visualize multi-dimensional cytometric data T1 - De novo Binning-Ansatz zur Untersuchung und Visualisierung von multidimensionalen Zytrometriedaten BT - engineering of combinatorial variables for supervised learning approaches N2 - Since half a century, cytometry has been a major scientific discipline in the field of cytomics - the study of system’s biology at single cell level. It enables the investigation of physiological processes, functional characteristics and rare events with proteins by analysing multiple parameters on an individual cell basis. In the last decade, mass cytometry has been established which increased the parallel measurement to up to 50 proteins. This has shifted the analysis strategy from conventional consecutive manual gates towards multi-dimensional data processing. Novel algorithms have been developed to tackle these high-dimensional protein combinations in the data. They are mainly based on clustering or non-linear dimension reduction techniques, or both, often combined with an upstream downsampling procedure. However, these tools have obstacles either in comprehensible interpretability, reproducibility, computational complexity or in comparability between samples and groups. To address this bottleneck, a reproducible, semi-automated cytometric data mining workflow PRI (pattern recognition of immune cells) is proposed which combines three main steps: i) data preparation and storage; ii) bin-based combinatorial variable engineering of three protein markers, the so called triploTs, and subsequent sectioning of these triploTs in four parts; and iii) deployment of a data-driven supervised learning algorithm, the cross-validated elastic-net regularized logistic regression, with these triploT sections as input variables. As a result, the selected variables from the models are ranked by their prevalence, which potentially have discriminative value. The purpose is to significantly facilitate the identification of meaningful subpopulations, which are most distinguish between two groups. The proposed workflow PRI is exemplified by a recently published public mass cytometry data set. The authors found a T cell subpopulation which is discriminative between effective and ineffective treatment of breast carcinomas in mice. With PRI, that subpopulation was not only validated, but was further narrowed down as a particular Th1 cell population. Moreover, additional insights of combinatorial protein expressions are revealed in a traceable manner. An essential element in the workflow is the reproducible variable engineering. These variables serve as basis for a clearly interpretable visualization, for a structured variable exploration and as input layers in neural network constructs. PRI facilitates the determination of marker levels in a semi-continuous manner. Jointly with the combinatorial display, it allows a straightforward observation of correlating patterns, and thus, the dominant expressed markers and cell hierarchies. Furthermore, it enables the identification and complex characterization of discriminating subpopulations due to its reproducible and pseudo-multi-parametric pattern presentation. This endorses its applicability as a tool for unbiased investigations on cell subsets within multi-dimensional cytometric data sets. N2 - Massen- und Durchflusszytometrie-Messungen ermöglichen die detaillierte Einteilung von Zellgruppen nach Eigenschaften vor allem in der Diagnostik und in der Grundlagenforschung anhand der Erfassung von biologischen Informationen auf Einzelzellebene. Sie unterstützen die detaillierte Analyse von komplexen, zellulären Zusammenhängen, um physiologische und pathophysiologische Prozesse zu erkennen, und funktionelle oder krankheitsspezifische Characteristika und rare Zellgruppen genauer zu spezifizieren und zu extrahieren. In den letzten Jahren haben zytometrische Technologien einen enormen Innovationssprung erfahren, sodass heutzutage bis zu 50 Proteine pro Zelle parallel gemessen werden können. Und das mit einem Durchsatz von Hunderttausenden bis mehreren Millionen von Zellen aus einer Probe. Bei der Zunahme der Messparameter steigen jedoch die Dimensionen der kombinierten Parameter exponentiell, sodass eine komplexe Kombinatorik entsteht, die mit konventionellen, manuellen Untersuchungen von bi-axialen Diagrammen nicht mehr durchführbar sind. Derzeit gibt es schon viele neue Datenanalyse-Ansätze, die vorranging auf Cluster- bzw. Dimensionsreduktionstechniken basieren und meist mit einem vorgeschalteten Downsampling in Kombination eingesetzt werden. Diese Tools produzieren aber komplexe Ergebnisse, die größtenteils nicht reproduzierbar sind oder Proben- und Gruppenvergleiche erschweren. Um dieses Problem anzugehen wurde in dieser Dissertation ein reproduzierbarer, halbautomatisierter Datenanalyse-Workflow namens PRI entwickelt, was für pattern recognition of immune cells (Mustererkennung von Immunzellen) steht. Dieser Workflow ist in drei Hauptteile untergliedert: die Datenvorbereitung und -Ablage; die Entwicklung innovativer, bin-basierter Merkmale von drei kombinierten Parametern namens TriploTs und dessen weiterführende Einteilung in vier gleich große TriploT-Areale; und die Anwendung von einem maschinellen Lernansatz basierend auf der Information von diesen Arealen. Als Ergebnis bekommt man eine Selektion der Areale, die am häufigsten von den überwachten Modellen ausgewählt wurden. Dies soll dem Wissenschaftler entscheidend dabei helfen, Zellpopulationen zu identifizieren, die am besten zwischen zwei Gruppen unterscheiden. Der vorgestellte Workflow PRI ist exemplarisch an einem kürzlich veröffentlichten Massenzytometrie-Datensatz validiert worden. Die von den Originalautoren hervorgehobene Zellpopulation konnte nicht nur identifiziert werden, sondern sogar wesentlich weiter spezifiziert werden. Außerdem wurden weitere Erkenntnisse von relevanten, kombinatorischen Proteinexpressionen festgestellt. Die Entwicklung der reproduzierbaren TriploTs führt dazu, dass sie als Basis für verständliche und leicht interpretierbare Visualisierungen, für eine strukturierte Erforschung der Daten mithilfe der Selektion der Areale, und für neuronale Netzwerkkonstrukte genutzt werden können. PRI ermöglicht eine optimierte, semi-kontinuierliche Bestimmung der Expressionsstufen, die die Identifizierung von dominant vorherrschenden und diskriminierenden Proteinen in Zellsubpopulationen wesentlich erleichtert. Darüberhinaus erlaubt es die intuitive Erfassung von korrelierenden Mustern durch die innovative, reproduzierbare Darstellung der Proteinkombinationen und hilft bei der Erforschung von Zellsubpopulationen. KW - machine learning KW - feature engineering KW - machinelles Lernen KW - Feature Engineering Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443078 ER - TY - THES A1 - Herrmann, Johannes T1 - The mechanical behavior of shales T1 - Das mechanische Verhalten von Schiefergesteinen N2 - The thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recovered from conventional resources e.g., coal towards energy provided by renewable resources such as wind or water is a big challenge. Gas recovered from unconventional reservoirs (shale plays) is considered a potential bridge technology. In Chapter 2, short-term mechanical properties of two European mature shale rocks are presented, which were determined from constant strain rate experiments performed at ambient and in situ deformation conditions (confining pressure, pc ≤ 100 MPa, temperature, T ≤ 125 °C, representing pc, T - conditions at < 4 km depth) using a Paterson– type gas deformation apparatus. The investigated shales were mainly from drill core material of Posidonia (Germany) shale and weathered material of Bowland (United Kingdom) shale. The results are compared with mechanical properties of North American shales. Triaxial compression tests performed perpendicular to bedding revealed semibrittle deformation behavior of Posidonia shale with pronounced inelastic deformation. This is in contrast to Bowland shale samples that deformed brittle and displayed predominantly elastic deformation. The static Young’s modulus, E, and triaxial compressive strength, σTCS, determined from recorded stress-strain curves strongly depended on the applied confining pressure and sample composition, whereas the influence of temperature and strain rate on E and σTCS was minor. Shales with larger amounts of weak minerals (clay, mica, total organic carbon) yielded decreasing E and σTCS. This may be related to a shift from deformation supported by a load-bearing framework of hard phases (e.g., quartz) towards deformation of interconnected weak minerals, particularly for higher fractions of about 25 – 30 vol% weak phases. Comparing mechanical properties determined at reservoir conditions with mechanical data applying effective medium theories revealed that E and σTCS of Posidonia and Bowland shale are close to the lower (Reuss) bound. Brittleness B is often quoted as a measure indicating the response of a shale formation to stimulation and economic production. The brittleness, B, of Posidonia and Bowland shale, estimated from E, is in good agreement with the experimental results. This correlation may be useful to predict B from sonic logs, from which the (dynamic) Young’s modulus can be retrieved. Chapter 3 presents a study of the long-term creep properties of an immature Posidonia shale. Constant stress experiments (σ = const.) were performed at elevated confining pressures (pc = 50 – 200 MPa) and temperatures (T = 50 – 200 °C) to simulate reservoir pc, T - conditions. The Posidonia shale samples were acquired from a quarry in South Germany. At stresses below ≈ 84 % compressive strength of Posidonia shale, at high temperature and low confining pressure, samples showed pronounced transient (primary) creep with high deformation rates in the semibrittle regime. Sample deformation was mainly accommodated by creep of weak sample constituents and pore space reduction. An empirical power law relation between strain and time, which also accounts for the influence of pc, T and σ on creep strain was formulated to describe the primary creep phase. Extrapolation of the results to a creep period of several years, which is the typical time interval for a large production decline, suggest that fracture closure is unlikely at low stresses. At high stresses as expected for example at the contact between the fracture surfaces and proppants added during stimulation measures, subcritical crack growth may lead to secondary and tertiary creep. An empirical power law is suggested to describe secondary creep of shale rocks as a function of stress, pressure and temperature. The predicted closure rates agree with typical production decline curves recorded during the extraction of hydrocarbons. At the investigated conditions, the creep behavior of Posidonia shale was found to correlate with brittleness, calculated from sample composition. In Chapter 4 the creep properties of mature Posidonia and Bowland shales are presented. The observed long-term creep behavior is compared to the short-term behavior determined in Chapter 2. Creep experiments were performed at simulated reservoir conditions of pc = 50 – 115 MPa and T = 75 – 150 °C. Similar to the mechanical response of immature Posidonia shale samples investigated in Chapter 3, creep strain rates of mature Bowland and Posidonia shales were enhanced with increasing stress and temperature and decreasing confining pressures. Depending on applied deformation conditions, samples displayed either only a primary (decelerating) or in addition also a secondary (quasi-steady state) and subsequently a tertiary (accelerating) creep phase before failure. At the same deformation conditions, creep strain of Posidonia shale, which is rich in weak constituents, is tremendously higher than of quartz-rich Bowland shale. Typically, primary creep strain is again mostly accommodated by deformation of weak minerals and local pore space reduction. At the onset of tertiary creep most of the deformation was accommodated by micro crack growth. A power law was used to characterize the primary creep phase of Posidonia and Bowland shale. Primary creep strain of shale rocks is inversely correlated to triaxial compressive strength and brittleness, as described in Chapter 2. Chapter 5 provides a synthesis of the experimental findings and summarizes the major results of the studies presented in Chapters 2 – 4 and potential applications in the Exploration & Production industry. Chapter 6 gives a brief outlook on potential future experimental research that would help to further improve our understanding of processes leading to fracture closure involving proppant embedment in unconventional shale gas reservoirs. Such insights may allow to improve stimulation techniques aimed at maintaining economical extraction of hydrocarbons over several years. N2 - Die vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf die Motivation für die vorliegende Studie eingegangen wird. Die Einleitung fokussiert sich dabei auf die aktuell vorherrschende Herausforderung, die Energieversorgung durch konventionelle Ressourcen, wie beispielsweise Kohle, durch regenerative Ressourcen, wie z.B. Wind oder Wasser, zu ersetzen. Üblicherweise wird der Energiezeugung aus unkonventionell gewonnenem Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie zugewiesen. Die Motivation zur Durchführung dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von Gasschiefern zu untersuchen, die auch in Europa einen substantiellen Beitrag zur Gasförderung liefern können. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die exemplarisch auf die Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von zwei reifen, europäischen Schiefergesteinen abzielen. Dazu wurden in einer Gasdruckapparatur Deformationsexperimente an Proben durchgeführt die senkrecht zur Schichtung orientiert entnommen wurden. Die Versuche wurden bei konstanter Verformungsrate und bei nachgestellten in situ Umgebungsbedingungen bis etwa 4 km Tiefe durchgeführt (Manteldruck, pc ≤ 100 MPa, Temperatur, T ≤ 125 °C). Die untersuchten Schieferproben stammen hauptsächlich aus Kernmaterial von erbohrtem Posidonienschiefer aus Niedersachsen und aus englischen Bowlandschiefer, das aus natürlichen Aufschlüssen gewonnen wurde. Zusätzlich wurden einige nordamerikanische Schieferproben zum Vergleich untersucht. Die triaxialen Kompressionstests zeigen ein semi-sprödes Deformationsverhalten mit ausgeprägter inelastischer Verformung des untersuchten Posidonienschiefers, wohingegen sich Bowlandschiefer spröde und bis zum Bruch vorzugsweise elastisch verformt. Der Elastizitätsmodul, E, und die Druckfestigkeit, σTCS, weisen bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine starke Abhängigkeit vom Manteldruck und der Gesteinsmineralogie auf. Der Einfluss von Temperatur und Verformungsrate auf E und σTCS ist dagegen vernachlässigbar. Mit ansteigendem Anteil an mechanisch weichen Mineralphasen, z.B. Ton, Glimmer und organisch gebundenem Kohlenstoff, nehmen E und σTCS der untersuchten Schiefergesteine ab. Dies ist durch eine verändertes Verformungsverhalten begründet, das von der Deformation eines lasttragenden Gerüstes aus mechanisch festen Mineralen, wie beispielsweise Quarz, bis zu einer Verformung von miteinander verbundenen mechanisch weichen Mineralen reicht. Der Übergang wurde ab einem Volumenanteil von etwa 25 – 30 vol% weicher Mineralphasen beobachtet. Beim Vergleich der experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften (E, σTCS) mit Vorhersagen, in denen die Zusammensetzung der Schiefer berücksichtigt wird (effective medium theories, Voigt-Reuss Grenzen) ist erkennbar, dass E und σTCS nahe an der unteren (Reuss) Grenze liegen. Die aus dem Elastizitätsmodul berechnete Sprödfestigkeit (brittleness, B) von Posidonien- und Bowlandschiefer stimmt gut mit dem gemessenen Spannungs-Verformungsverhalten überein. Die Sprödfestigkeit eines Gesteins wird oft als Indiz zur Abschätzung des möglichen Erfolges von Stimulationsmaßnahmen betrachtet. Daher ist der Zusammenhang zwischen elastischen Eigenschaften, die sich mit Ultraschallmessungen (sonic-log) in Bohrungen abschätzen lassen und dem mechanischen Verhalten von Gasschiefern für eine schnelle und kostengünstige Beurteilung wichtig. Im dritten Kapitel werden die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen untersucht. Dafür wurden Deformationsexperimente bei konstanter Spannung (σ = konst.) und erhöhten Umlagerungsdrücken (pc = 50 – 200 MPa) und Temperaturen (T = 50 – 200 °C) an einem unreifen Posidonienschiefer, welcher in einem aktiven Steinbruch in Süddeutschland gewonnen wurde, durchgeführt. Bei Spannungen unterhalb ≈ 84 % der Druckfestigkeit des Schiefers und hohen Temperaturen und niedrigen Manteldrücken zeigen die deformierten Schieferproben transientes (primäres) Kriechen im semi-spröden Regime mit relativ hohen Verformungsraten. Der größte Teil der Deformation wird dabei durch die Verformung von mechanisch weichen Mineralphasen und Porenraumreduktion aufgenommen. Ein empirisches Potenzgesetz wurde aufgestellt, um die zeitabhängige primäre Kriechphase in Abhängigkeit von Manteldruck, Temperatur und Spannung zu charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, dass ein mögliches Rissschließen über einen typischen Zeitraum von wenigen Jahren bei der Annahme von ausschließlich primären Kriechen unwahrscheinlich ist. Typischerweise entstehen an den Kotaktflächen zwischen hydraulisch stimulierten Rissen innerhalb der Schieferformation und dem Stützmittel, welches dem Stimulationsfluid hinzugefügt wird, um offene Risse aufrecht zu erhalten, hohe Differentialspannungen. Dadurch kann zusätzliches (subkritisches) Risswachstum initiiert werden, welches bei den untersuchten Proben unter hoher Differentialspannung zusätzlich zum primären auch zum sekundären und tertiären Kriechen bis zum Versagen der Probe führte. Bei Verwendung eines empirischen Potenzgesetzes zur Beschreibung der sekundären Kriechphase kann eine, im Vergleich zur primären Kriechregime, substanziell höhere Rissschließungsrate abgeschätzt werden. Diese erscheint wesentlich zuverlässiger, da sie mit den Zeiträumen typische gemessener Produktionsrückgänge einer Bohrung übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine inverse Korrelation zwischen gemessener Verformung und Sprödigkeit, basierend auf der Schiefermineralogie, festgestellt. In Kapitel 4 werden weiterführende Untersuchungen vorgestellt, in dem die Kriecheigenschaften von reifem Posidonien-und Bowlandschiefer gemessen und mit den mechanischen Eigenschaften, bestimmt in Kurzzeit-Deformationsversuchen bei konstanter Verformungsrate (Kapitel 2) verglichen werden. Dafür wurden Kriechversuche an Posidonien- und Bowlandschiefermaterial, wie in Kapitel 2 beschrieben, bei simulierten Reservoirdrücken und -temperaturen durchgeführt (pc = 50 – 115 MPa, T = 75 – 150 °C). Auch für diese Schiefergesteine wurde eine erhöhte Verformung bei erhöhten Spannungen und Temperaturen und niedrigen Manteldrücken gemessen. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Deformationsbedingungen wiesen die Proben beider Schiefergesteine entweder nur eine primäre oder zusätzlichen zur primären auch eine sekundäre und tertiäre Kriechphase auf. Bei gleichem Umlagerungsdruck und gleicher Temperatur erwies sich der tonreiche Posidonienschiefer als deutlich weniger fest als der quarzreiche Bowlandschiefer. Während der Großteil der Deformation in der primären Kriechphase durch die Verformung von weichen Mineralen und Porenraumreduktion aufgefangen wurde, ist eine Mikrorissbildung bezeichnend für das tertiäre Kriechen. Um das primäre Kriechverhalten der unterschiedlichen Schiefergesteine zu charakterisieren, wurde auch hier ein Potenzgesetz genutzt, welches einen Vergleich mit den Kriecheigenschaften anderer Schiefergesteinen erlaubt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine deutliche inverse Korrelation zwischen primärer Verformung und der gemessenen Druckfestigkeit und der berechneten Sprödigkeit. Dies ermöglicht es die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen mit den, aus einem Kurzzeittest gemessenen, mechanischen Eigenschaften grob abzuschätzen, solange die angenommen Zeitintervalle zwischen zwei Stimulationsoperationen in dem in der Praxis typischen Zeitintervall von einigen Jahren liegt. Im fünften Kapitel werden die erzielten Ergebnisse nochmals im Zusammenhang dargestellt. Hier wird im Besonderen auf eine potentielle Anwendung der Ergebnisse in der E & P - Industrie eingegangen. Abschließend wird im sechsten Kapitel auf mögliche Experimente eingegangen, die zukünftig durchgeführt werden könnten, um unser Verständnis in Bezug auf die spannungsinduzierte Rissschließung in Schieferlagerstätten durch die Einbettung der Stützmittel in die Formation zu verbessern. Diese Erkenntnisse wären wiederum hilfreich, um eine ökonomische und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen von stimulierten Bohrungen zu gewährleisten, die in unkonventionelle Lagerstätten abgeteuft wurden. KW - strength KW - Young's modulus KW - creep properties KW - Festigkeit KW - Elastizitätsmodul KW - Kriecheigenschaften Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429683 ER - TY - THES A1 - He, Hai T1 - Exploring and engineering formaldehyde assimilation N2 - Increasing concerns regarding the environmental impact of our chemical production have shifted attention towards possibilities for sustainable biotechnology. One-carbon (C1) compounds, including methane, methanol, formate and CO, are promising feedstocks for future bioindustry. CO2 is another interesting feedstock, as it can also be transformed using renewable energy to other C1 feedstocks for use. While formaldehyde is not suitable as a feedstock due to its high toxicity, it is a central intermediate in the process of C1 assimilation. This thesis explores formaldehyde metabolism and aims to engineer formaldehyde assimilation in the model organism Escherichia coli for the future C1-based bioindustry. The first chapter of the thesis aims to establish growth of E. coli on formaldehyde via the most efficient naturally occurring route, the ribulose monophosphate pathway. Linear variants of the pathway were constructed in multiple-gene knockouts strains, coupling E. coli growth to the activities of the key enzymes of the pathway. Formaldehyde-dependent growth was achieved in rationally designed strains. In the final strain, the synthetic pathway provides the cell with almost all biomass and energy requirements. In the second chapter, taking advantage of the unique feature of its reactivity, formaldehyde assimilation via condensation with glycine and pyruvate by two promiscuous aldolases was explored. Facilitated by these two reactions, the newly designed homoserine cycle is expected to support higher yields of a wide array of products than its counterparts. By dividing the pathway into segments and coupling them to the growth of dedicated strains, all pathway reactions were demonstrated to be sufficiently active. The work paves a way for future implementation of a highly efficient route for C1 feedstocks into commodity chemicals. In the third chapter, the in vivo rate of the spontaneous formaldehyde tetrahydrofolate condensation to methylene-tetrahydrofolate was assessed in order to evaluate its applicability as a biotechnological process. Tested within an E. coli strain deleted in essential genes for native methylene-tetrahydrofolate biosynthesis, the reaction was shown to support the production of this essential intermediate. However, only low growth rates were observed and only at high formaldehyde concentrations. Computational analysis dependent on in vivo evidence from this strain deduced the slow rate of this spontaneous reaction, thus ruling out its substantial contribution to growth on C1 feedstocks. The reactivity of formaldehyde makes it highly toxic. In the last chapter, the formation of thioproline, the condensation product of cysteine and formaldehyde, was confirmed to contribute this toxicity effect. Xaa-Pro aminopeptidase (PepP), which genetically links with folate metabolism, was shown to hydrolyze thioproline-containing peptides. Deleting pepP increased strain sensitivity to formaldehyde, pointing towards the toxicity of thioproline-containing peptides and the importance of their removal. The characterization in this study could be useful in handling this toxic intermediate. Overall, this thesis identified challenges related to formaldehyde metabolism and provided novel solutions towards a future bioindustry based on sustainable C1 feedstocks in which formaldehyde serves as a key intermediate. N2 - Die zunehmende Besorgnis über die Auswirkungen der chemischen Produktion auf die Umwelt hat den Fokus auf die Vorzüge der nachhaltigen Biotechnologie gelenkt. Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1), wie Methan, Methanol, Formiat und CO, sind vielversprechende Ausgangsstoffe für eine künftige biobasierte Industrie. Darüber hinaus ist CO2 ein weiterer interessanter Rohstoff, da es ebenfalls mit erneuerbarer Energie in andere C1-Verbindungen umgewandelt werden kann. Formaldehyd ist zwar aufgrund seiner Toxizität und Reaktivität nicht als Kohlestoffquelle geeignet, stellt aber ein zentrales Intermediat der C1-Assimilation dar. In dieser Arbeit wurde der Formaldehyd-Stoffwechsel untersucht, um Formaldehyd-Assimilations-Wege im Modellorganismus Escherichia coli für die zukünftige C1-basierte Bioindustrie zu entwickeln. Das erste Kapitel dieser Arbeit zielt darauf ab, das Wachstum von E. coli auf Formaldehyd über den energetisch effizientesten natürlich vorkommenden Weg, den Ribulose-Monophosphat-Weg (RuMP-Weg), zu etablieren. Durch Gendeletionen wurden lineare Varianten des RuMPWeges in E. coli Stämmen konstruiert, um das Wachstum mit der Aktivität der Schlüsselenzyme der Formaldehyd-Assimiliation zu verbinden. So konnte auf Formaldehydabhängiges Wachstum in diesen Stämmen getestet werden. Im finalen Stamm wurde nahezu die gesamte Biomasse und der Energiebedarf der E. coli Zellen über den RuMP-Weg bereitgestellt. Im zweiten Kapitel wurde unter Ausnutzung der einzigartigen Reaktivität des Formaldehyds die Aktivitäten zweier promiskuitiver Aldolasen für die Kondensation von Formaldehyd mit Glycin oder Pyruvat in vivo untersucht. Diese beiden Reaktionen dienen als Schlüsselreaktionen des neu gestalteten Homoserin-Zyklus, der verglichen mit anderen bekannten Assimilierungswegen höhere Ausbeuten einer breiten Palette von Produkten ermöglichen kann. Durch die Unterteilung des Stoffwechselweges in Segmente und deren Selektion in auxotrophen E. coli Stämmen wurde gezeigt, dass alle Reaktionen des Pfades ausreichend aktiv sind. Diese Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Nutzung des Homoserin-Zyklus als hocheffiziente Route für die Umwandlung von C1-Rohstoffen in grundlegende Chemikalien. Im dritten Kapitel wurde die in vivo-Rate der spontanen Kondensation von Formaldehyd mit Tetrahydrofolat zu Methylen-Tetrahydrofolat untersucht, um ihr Potential als Formaldehyd Assimilierungs-Reaktion in einem biotechnologischen Prozess zu bewerten. Die Reaktion wurde in einem E. coli-Stamm getestet, in welchem essentielle Gene für die native Methylen-Tetrahydrofolat-Biosynthese entfernt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die spontane Reaktion die Produktion dieses wesentlichen Zwischenprodukts ermöglicht. Die erreichten Wachstumsraten waren jedoch gering und nur bei hohen Formaldehydkonzentrationen zu beobachten. Eine Computer-gestützte Analyse basierend auf in vivo-Erkenntnissen über diesen Stamm ergab eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit dieser spontanen Reaktion und schloss somit ihren wesentlichen Beitrag zum Wachstum auf C1-Einsatzmaterial aus. Seine Reaktivität macht Formaldehyd hochtoxisch. Im letzten Kapitel wurde bestätigt, dass die Bildung von Thioprolin, dem Kondensationsprodukt von Cystein und Formaldehyd, zu dieser Toxizitätswirkung beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die Xaa-Pro-Aminopeptidase (PepP), die genetisch mit dem Folat-Stoffwechsel verbunden ist, thioprolinhaltige Peptide hydrolysiert. Die Deletion von PepP erhöhte die Empfindlichkeit des Stammes gegenüber Formaldehyd, was auf die Toxizität der Thioprolin-haltigen Peptide und die Bedeutung ihrer Entfernung hinweist. Diese Studie kann für den Umgang mit der Toxizität von Formaldehyd nützlich sein. Insgesamt identifizierte diese Arbeit Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Formaldehyd-Stoffwechsel und lieferte neue Lösungen für eine C1-basierte Bioindustrie, in der Formaldehyd als wichtiges Zwischenprodukt dient. T2 - Erforschung und Entwicklung der Formaldehyd-Assimilierung KW - formaldehyde assimilation KW - ribulose monophosphate pathway KW - metabolic engineering KW - serine cycle KW - auxotrophy KW - methylotrophy KW - Auxotrophie KW - Serin-Zyklus KW - Ribulose-Monophosphat-Weg KW - Methylotrophie KW - metabolisches Engineering KW - Formaldehyd-Assimilierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473867 ER - TY - THES A1 - Hanschmann, Raffael Tino T1 - Stalling the engine? EU climate politics after the ‘Great Recession’ T1 - Den Motor abgewürgt? EU-Klimapolitik nach der Großen Rezession BT - investigating the impact of economic shocks on EU climate policy-making in three case studies BT - eine Untersuchung des Einflusses von Wirtschaftskrisen auf Prozesse in der EU-Klimapolitik in drei Fallstudien N2 - This dissertation investigates the impact of the economic and fiscal crisis starting in 2008 on EU climate policy-making. While the overall number of adopted greenhouse gas emission reduction policies declined in the crisis aftermath, EU lawmakers decided to introduce new or tighten existing regulations in some important policy domains. Existing knowledge about the crisis impact on EU legislative decision-making cannot explain these inconsistencies. In response, this study develops an actor-centred conceptual framework based on rational choice institutionalism that provides a micro-level link to explain how economic crises translate into altered policy-making patterns. The core theoretical argument draws on redistributive conflicts, arguing that tensions between ‘beneficiaries’ and ‘losers’ of a regulatory initiative intensify during economic crises and spill over to the policy domain. To test this hypothesis and using social network analysis, this study analyses policy processes in three case studies: The introduction of carbon dioxide emission limits for passenger cars, the expansion of the EU Emissions Trading System to aviation, and the introduction of a regulatory framework for biofuels. The key finding is that an economic shock causes EU policy domains to polarise politically, resulting in intensified conflict and more difficult decision-making. The results also show that this process of political polarisation roots in the industry that is the subject of the regulation, and that intergovernmental bargaining among member states becomes more important, but also more difficult in times of crisis. N2 - Diese Dissertation untersucht den Einfluss der in 2008 beginnenden globalen Wirtschaftskrise auf die Prozesse der EU-Klimapolitik. Während die Zahl der verabschiedeten Gesetze zur Treibhausgasreduktion nach Krisenausbruch insgesamt sank, entschieden die EU-Gesetzgeber, in mehreren wichtigen Politikfeldern neue Regulierungen einzuführen oder existierende zu verschärfen. Bestehendes Wissen zum Einfluss der Krise auf EU-Gesetzgebungsprozesse kann diese Inkonsistenzen nicht erklären. Daher entwickelt diese Arbeit ein auf Rational-Choice-Institutionalismus basierendes konzeptionelles Gerüst, das auf der Mikro-Ebene eine kausale Verbindung zwischen Wirtschaftskrise und veränderten Politikprozessen herstellt. Das zentrale theoretische Argument beruht auf Verteilungskonflikten innerhalb der regulierten Wirtschaftsbranchen: Die Spannung zwischen „Nutznießern“ und „Verlierern“ einer geplanten Regulierung intensiviert sich in Krisenzeiten und setzt sich im politischen Raum fort. Diese Hypothese wird an drei Fallstudien mittels sozialer Netzwerkanalyse getestet. Die drei Fallstudien untersuchen politische Entscheidungsprozesse in den folgenden EU-Politikfeldern: Kohlenstoffdioxid-Emissionsgrenzen für PKW, die Ausweitung des Emissionshandels auf Flugverkehr und die Einführung eines Regulierungsrahmens für Biokraftstoffe. Die wichtigste Erkenntnis der Untersuchung ist, dass makroökonomische Schocks eine Polarisierung der politischen Interessen innerhalb eines Politikfeldes auslösen, dadurch Konflikte intensivieren und letztlich Entscheidungsfindungen erschweren. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass dieser Polarisierungsprozess in der regulierten Wirtschaftsbranche wurzelt. Außerdem werden Verhandlungen zwischen den Regierungen der Mitgliedsstaaten in Krisenzeiten wichtiger, aber auch schwieriger.  KW - EU KW - European Union KW - policy-making KW - network analysis KW - policy preferences KW - economic crisis KW - crisis KW - climate KW - climate change KW - climate policy KW - climate politics KW - environmental policy KW - EU KW - Europäische Union KW - Politikgestaltung KW - Netzwerkanalyse KW - Politikpräferenzen KW - Wirtschaftskrise KW - Krise KW - Klima KW - Klimawandel KW - Klimapolitik KW - Umweltpolitik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440441 ER -