TY - THES A1 - Adelt, Anne T1 - The Relativized Minimality approach to comprehension of German relative clauses in aphasia N2 - It is a well-attested finding in head-initial languages that individuals with aphasia (IWA) have greater difficulties in comprehending object-extracted relative clauses (ORCs) as compared to subject-extracted relative clauses (SRCs). Adopting the linguistically based approach of Relativized Minimality (RM; Rizzi, 1990, 2004), the subject-object asymmetry is attributed to the occurrence of a Minimality effect in ORCs due to reduced processing capacities in IWA (Garraffa & Grillo, 2008; Grillo, 2008, 2009). For ORCs, it is claimed that the embedded subject intervenes in the syntactic dependency between the moved object and its trace, resulting in greater processing demands. In contrast, no such intervener is present in SRCs. Based on the theoretical framework of RM and findings from language acquisition (Belletti et al., 2012; Friedmann et al., 2009), it is assumed that Minimality effects are alleviated when the moved object and the intervening subject differ in terms of relevant syntactic features. For German, the language under investigation, the RM approach predicts that number (i.e., singular vs. plural) and the lexical restriction [+NP] feature (i.e., lexically restricted determiner phrases vs. lexically unrestricted pronouns) are considered relevant in the computation of Minimality. Greater degrees of featural distinctiveness are predicted to result in more facilitated processing of ORCs, because IWA can more easily distinguish between the moved object and the intervener. This cumulative dissertation aims to provide empirical evidence on the validity of the RM approach in accounting for comprehension patterns during relative clause (RC) processing in German-speaking IWA. For that purpose, I conducted two studies including visual-world eye-tracking experiments embedded within an auditory referent-identification task to study the offline and online processing of German RCs. More specifically, target sentences were created to evaluate (a) whether IWA demonstrate a subject-object asymmetry, (b) whether dissimilarity in the number and/or the [+NP] features facilitates ORC processing, and (c) whether sentence processing in IWA benefits from greater degrees of featural distinctiveness. Furthermore, by comparing RCs disambiguated through case marking (at the relative pronoun or the following noun phrase) and number marking (inflection of the sentence-final verb), it was possible to consider the role of the relative position of the disambiguation point. The RM approach predicts that dissimilarity in case should not affect the occurrence of Minimality effects. However, the case cue to sentence interpretation appears earlier within RCs than the number cue, which may result in lower processing costs in case-disambiguated RCs compared to number-disambiguated RCs. In study I, target sentences varied with respect to word order (SRC vs. ORC) and dissimilarity in the [+NP] feature (lexically restricted determiner phrase vs. pronouns as embedded element). Moreover, by comparing the impact of these manipulations in case- and number-disambiguated RCs, the effect of dissimilarity in the number feature was explored. IWA demonstrated a subject-object asymmetry, indicating the occurrence of a Minimality effect in ORCs. However, dissimilarity neither in the number feature nor in the [+NP] feature alone facilitated ORC processing. Instead, only ORCs involving distinct specifications of both the number and the [+NP] features were well comprehended by IWA. In study II, only temporarily ambiguous ORCs disambiguated through case or number marking were investigated, while controlling for varying points of disambiguation. There was a slight processing advantage of case marking as cue to sentence interpretation as compared to number marking. Taken together, these findings suggest that the RM approach can only partially capture empirical data from German IWA. In processing complex syntactic structures, IWA are susceptible to the occurrence of the intervening subject in ORCs. The new findings reported in the thesis show that structural dissimilarity can modulate sentence comprehension in aphasia. Interestingly, IWA can override Minimality effects in ORCs and derive correct sentence meaning if the featural specifications of the constituents are maximally different, because they can more easily distinguish the moved object and the intervening subject given their reduced processing capacities. This dissertation presents new scientific knowledge that highlights how the syntactic theory of RM helps to uncover selective effects of morpho-syntactic features on sentence comprehension in aphasia, emphasizing the close link between assumptions from theoretical syntax and empirical research. N2 - Personen mit Aphasie (PmA) verstehen Objektrelativsätze (ORS) häufig schlechter als Subjektrelativsätze (SRS). Im linguistisch basierten Ansatz der relativierten Minimalitätstheorie (RM; Rizzi, 1990, 2004) wird diese sog. Subjekt-Objekt-Asymmetrie dadurch erklärt, dass bei PmA aufgrund reduzierter Verarbeitungskapazitäten ein sog. Minimalitätseffekt in ORS auftritt (Garraffa & Grillo, 2008; Grillo, 2008, 2009), der die Verarbeitung erschwert. Dieser entsteht dadurch, dass das eingebettete Subjekt in der syntaktischen Abhängigkeit zwischen dem bewegten Objekt und seiner Spur interveniert. Im Gegensatz dazu gibt es in SRS kein intervenierendes Element. Anhand von Ergebnissen aus psycholinguistischen Studien (Belletti et al., 2012; Friedmann et al., 2009) wird zudem angenommen, dass der Minimalitätseffekt in ORS reduziert wird, wenn sich das bewegte Objekt und das intervenierende Subjekt hinsichtlich ihrer syntaktischen Merkmale unterscheiden. Für das Deutsche wird von der RM vorhergesagt, dass die Merkmale Numerus (Singular vs. Plural) und [+NP] (volle Nominalphrasen vs. Pronomen) für das Auftreten des Minimalitätseffekts relevant sind. Je stärker sich die Konstituenten hinsichtlich relevanter syntaktischer Merkmale unterscheiden, desto stärker wird die Verarbeitung von ORS fazilitiert, weil PmA leichter zwischen dem bewegten Objekt und dem intervenierenden Subjekt unterscheiden können. In dieser kumulativen Dissertation wird überprüft, ob mithilfe der RM Leistungsmuster bei der Verarbeitung von Relativsätzen in deutsch-sprechenden PmA erklärt werden können. Zu diesem Zweck wurden zwei Studien durchgeführt, in denen das Visual-World-Eyetracking-Paradigma mit einer auditiven Referenten-Identifikationsaufgabe kombiniert wurde, um die Offline- und Online-Verarbeitung von Relativsätzen zu untersuchen. Dabei wurde überprüft, (a) ob bei PmA eine Subjekt-Objekt-Asymmetrie auftritt, (b) ob die Verarbeitung von ORS durch die unterschiedliche Markierung des Objekts und des Subjekts hinsichtlich der Merkmale Numerus und/oder [+NP] fazilitiert wird und (c) ob die Satzverarbeitung weiter fazilitiert wird, wenn sich die Argumente in mehreren Merkmalen unterscheiden. Darüber hinaus wurden kasus-markierte (Desambiguierung durch Kasus am Relativpronomen oder am Determinierer der nachfolgenden Nominalphrase) oder numerus-markierte Relativsätze (Desambiguierung durch Flexion des satzfinalen Verbs) verglichen. Dadurch wurde untersucht, ob der Zeitpunkt der Disambiguierung einen Einfluss auf die Verarbeitung von Relativsätzen hat. Laut der RM sollte der Minimalitätseffekt nicht durch Kasus als morpho-syntaktisches Merkmal beeinflusst werden. Dennoch werden kasus-markierte Sätze früher desambiguiert als numerus-markierte Sätze, weshalb ein Verarbeitungsvorteil für kasus-markierte Relativsätze zu erwarten ist. In Studie I wurden die Zielsätze hinsichtlich der Wortstellung (SRS vs. ORS) und des [+NP]-Merkmals variiert (volle Nominalphrase vs. Pronomen als eingebettetes Element). Darüber hinaus wurde der Einfluss dieser Manipulationen in kasus- und numerus-markierten Relativsätzen untersucht. Dadurch wurde beeinflusst, inwiefern sich die Konstituenten in relevanten morpho-syntaktischen Merkmalen unterscheiden. Die PmA zeigten eine Subjekt-Objekt-Asymmetrie, was durch das Auftreten eines Minimalitätseffekts in ORS erklärt werden kann. Im Gegensatz zu den Vorhersagen der RM konnte in ORS kein fazilitierender Effekt festgestellt werden, wenn sich die Konstituenten nur im Merkmal Numerus oder [+NP] unterschieden. Stattdessen verbesserten sich die Verstehensleistungen für solche ORS, in denen sich das bewegte Objekt und das eingebettete Subjekt hinsichtlich beider Merkmale Numerus und [+NP] unterschieden. In Studie II wurden kasus- und numerus-markierte ORS untersucht, wobei verschiedene Zeitpunkte der Disambiguierung berücksichtigt wurden. Hierbei zeigte sich ein leichter Verarbeitungsvorteil für kasus-markierte verglichen mit numerus-markierten ORS. Zusammenfassend können mithilfe der RM nicht alle empirischen Daten von deutschsprachigen PmA erklärt werden. Die Verarbeitung von Relativsätzen wird durch das Auftreten des intervenierenden Subjekts in ORS beeinflusst. Die in der Dissertation berichteten Ergebnisse zeigen, dass die Satzverarbeitung bei Aphasie durch strukturelle Unterschiede zwischen den Konstituenten beeinflusst werden kann. Insbesondere kann der Minimalitätseffekt in ORS überwunden werden, wenn sich die Konstituenten hinsichtlich der morpho-syntaktischen Merkmale maximal unterscheiden. In diesem Fall können PmA das bewegte Objekt und das intervenierende Subjekt trotz ihrer reduzierten Verarbeitungskapazitäten voneinander unterscheiden. Das heißt, dass mithilfe der RM aufgezeigt werden kann, wie morpho-syntaktische Merkmale die Satzverarbeitung von PmA selektiv beeinflussen können. Dies betont die enge Verknüpfung zwischen Annahmen aus der theoretischen Syntax und empirischer Forschung. KW - aphasia KW - Aphasie KW - relative clauses KW - Relativsätze KW - Relativized Minimality KW - relativierte Minimalitätstheorie KW - morpho-syntactic features KW - morpho-syntaktische Merkmale KW - sentence processing KW - Satzverarbeitung KW - eye tracking KW - Eye-tracking KW - case KW - Kasus KW - number KW - Numerus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623312 ER - TY - THES A1 - Alawashra, Mahmoud T1 - Plasma instabilities of TeV pair beams induced by blazars T1 - Plasma Instabilitäten von TeV-Paar Strahlen durch Blazare induziert N2 - Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams. Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles, dramatically reducing the linear growth rate of the electrostatic instability and hence the energy-loss rate of the pair beam. Our results show that the IGMF eliminates beam plasma instability as an effective energy-loss agent at a field strength three orders of magnitude below that needed to suppress the secondary cascade emission by magnetic deflection. For intermediate-strength IGMF, we do not know a viable process to explain the observed absence of GeV-scale cascade emission and hence can be excluded. Secondly, we probed how the beam-plasma instability feeds back on the beam, using a realistic two-dimensional beam distribution. We found that the instability broadens the beam opening angles significantly without any significant energy loss, thus confirming a recent feedback study on a simplified one-dimensional beam distribution. However, narrowing diffusion feedback of the beam particles with Lorentz factors less than 1e6 might become relevant even though initially it is negligible. Finally, when considering the continuous creation of TeV pairs, we found that the beam distribution and the wave spectrum reach a new quasi-steady state, in which the scattering of beam particles persists and the beam opening angle may increase by a factor of hundreds. This new intrinsic scattering of the cascade can result in time delays of around ten years, thus potentially mimicking the IGMF deflection. Understanding the implications on the GeV cascade emission requires accounting for inverse Compton cooling and simulating the beam-plasma system at different points in the IGM. N2 - Relativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt. Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust der Strahlen aufgrund von Instabilität beeinflussen. Sie stellten fest, dass diese schwachen Felder den Impuls der Teilchenstrahlen erheblich verändern können, was den Energieverlust aufgrund der Instabilität erheblich verlangsamt. Dies bedeutet, dass selbst extrem schwache IGMFs die Strahlungs Plasma-Instabilität unwirksam machen können, wenn es darum geht, Energieverluste zu verursachen. In der zweiten Studie haben sie untersucht, wie die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Teilchenstrahlen beeinflusst. Sie entdeckten, dass die Instabilität den Winkel der Strahlen erweitert, ohne signifikante Energieverluste zu verursachen. Im Laufe der Zeit könnten jedoch Partikel mit niedrigeren Energien anfangen, Energie zu verlieren. Wenn man die kontinuierliche Erzeugung von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt, stellten sie fest, dass die Verteilung der Strahlen und das Wellenspektrum schließlich einen stabilen Zustand erreichen, in dem die Partikel weiterhin gestreut werden und der Strahlenwinkel sich erheblich vergrößern kann. Diese intrinsische Streuung der Emission kann Zeitspannen verursachen, die es so aussehen lassen, als ob die IGMFs die Emission umlenken. Um die Auswirkungen auf die fehlende GeV-Emission vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler Faktoren wie inverse-Compton-Kühlung berücksichtigen und die Wechselwirkung zwischen den Teilchenstrahlen und dem umgebenden Plasma an verschiedenen Stellen im Weltraum simulieren. KW - gamma rays: general KW - instabilities KW - blazar KW - relativistic processes KW - waves KW - Blazar KW - Gammastrahlen: allgemein KW - Instabilitäten KW - relativistische Prozesse KW - Wellen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630131 ER - TY - THES A1 - Alhosseini Almodarresi Yasin, Seyed Ali T1 - Classification, prediction and evaluation of graph neural networks on online social media platforms T1 - Klassifizierung, Vorhersage und Bewertung graphischer neuronaler Netze auf Online-Social-Media-Plattformen N2 - The vast amount of data generated on social media platforms have made them a valuable source of information for businesses, governments and researchers. Social media data can provide insights into user behavior, preferences, and opinions. In this work, we address two important challenges in social media analytics. Predicting user engagement with online content has become a critical task for content creators to increase user engagement and reach larger audiences. Traditional user engagement prediction approaches rely solely on features derived from the user and content. However, a new class of deep learning methods based on graphs captures not only the content features but also the graph structure of social media networks. This thesis proposes a novel Graph Neural Network (GNN) approach to predict user interaction with tweets. The proposed approach combines the features of users, tweets and their engagement graphs. The tweet text features are extracted using pre-trained embeddings from language models, and a GNN layer is used to embed the user in a vector space. The GNN model then combines the features and graph structure to predict user engagement. The proposed approach achieves an accuracy value of 94.22% in classifying user interactions, including likes, retweets, replies, and quotes. Another major challenge in social media analysis is detecting and classifying social bot accounts. Social bots are automated accounts used to manipulate public opinion by spreading misinformation or generating fake interactions. Detecting social bots is critical to prevent their negative impact on public opinion and trust in social media. In this thesis, we classify social bots on Twitter by applying Graph Neural Networks. The proposed approach uses a combination of both the features of a node and an aggregation of the features of a node’s neighborhood to classify social bot accounts. Our final results indicate a 6% improvement in the area under the curve score in the final predictions through the utilization of GNN. Overall, our work highlights the importance of social media data and the potential of new methods such as GNNs to predict user engagement and detect social bots. These methods have important implications for improving the quality and reliability of information on social media platforms and mitigating the negative impact of social bots on public opinion and discourse. N2 - Die riesige Menge an Daten, die auf Social-Media-Plattformen generiert wird, hat sie zu einer wertvollen Informationsquelle für Unternehmen, Regierungen und Forscher gemacht. Daten aus sozialen Medien können Einblicke in das Verhalten, die Vorlieben und die Meinungen der Nutzer geben. In dieser Arbeit befassen wir uns mit zwei wichtigen Herausforderungen im Bereich der Social-Media-Analytik. Die Vorhersage des Nutzerinteresses an Online-Inhalten ist zu einer wichtigen Aufgabe für die Ersteller von Inhalten geworden, um das Nutzerengagement zu steigern und ein größeres Publikum zu erreichen. Herkömmliche Ansätze zur Vorhersage des Nutzerengagements stützen sich ausschließlich auf Merkmale, die aus dem Nutzer und dem Inhalt abgeleitet werden. Eine neue Klasse von Deep-Learning-Methoden, die auf Graphen basieren, erfasst jedoch nicht nur die Inhaltsmerkmale, sondern auch die Graphenstruktur von Social-Media-Netzwerken. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Graph Neural Network (GNN)-Ansatz zur Vorhersage der Nutzerinteraktion mit Tweets vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Ansatz kombiniert die Merkmale von Nutzern, Tweets und deren Engagement-Graphen. Die Textmerkmale der Tweets werden mit Hilfe von vortrainierten Einbettungen aus Sprachmodellen extrahiert, und eine GNN-Schicht wird zur Einbettung des Nutzers in einen Vektorraum verwendet. Das GNN-Modell kombiniert dann die Merkmale und die Graphenstruktur, um das Nutzerengagement vorherzusagen. Der vorgeschlagene Ansatz erreicht eine Genauigkeit von 94,22% bei der Klassifizierung von Benutzerinteraktionen, einschließlich Likes, Retweets, Antworten und Zitaten. Eine weitere große Herausforderung bei der Analyse sozialer Medien ist die Erkennung und Klassifizierung von Social-Bot-Konten. Social Bots sind automatisierte Konten, die dazu dienen, die öffentliche Meinung zu manipulieren, indem sie Fehlinformationen verbreiten oder gefälschte Interaktionen erzeugen. Die Erkennung von Social Bots ist entscheidend, um ihre negativen Auswirkungen auf die öffentliche Meinung und das Vertrauen in soziale Medien zu verhindern. In dieser Arbeit klassifizieren wir Social Bots auf Twitter mit Hilfe von Graph Neural Networks. Der vorgeschlagene Ansatz verwendet eine Kombination aus den Merkmalen eines Knotens und einer Aggregation der Merkmale der Nachbarschaft eines Knotens, um Social-Bot-Konten zu klassifizieren. Unsere Endergebnisse zeigen eine 6%ige Verbesserung der Fläche unter der Kurve bei den endgültigen Vorhersagen durch die Verwendung von GNN. Insgesamt unterstreicht unsere Arbeit die Bedeutung von Social-Media-Daten und das Potenzial neuer Methoden wie GNNs zur Vorhersage des Nutzer-Engagements und zur Erkennung von Social Bots. Diese Methoden haben wichtige Auswirkungen auf die Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit von Informationen auf Social-Media-Plattformen und die Abschwächung der negativen Auswirkungen von Social Bots auf die öffentliche Meinung und den Diskurs. KW - graph neural networks KW - social bot detection KW - user engagement KW - graphische neuronale Netze KW - Social Bots erkennen KW - Nutzer-Engagement Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626421 ER - TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER - TY - THES A1 - Apodiakou, Anastasia T1 - Analysis of the regulation of SDI genes, unravelling the role of the SLIM1 transcription factor, and the SNRK3.15 kinase in Arabidopsis under sulfur deprivation Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Aue, Lars T1 - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean T1 - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean N2 - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season. Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role. N2 - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst. Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist. Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter. Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt. Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen. KW - Arctic KW - atmosphere KW - sea ice KW - cyclones KW - meteorology KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Meereis KW - Zyklone KW - Meteorologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458 SP - VIII, 131 ER - TY - THES A1 - Benson, Lawrence T1 - Efficient state management with persistent memory N2 - Efficiently managing large state is a key challenge for data management systems. Traditionally, state is split into fast but volatile state in memory for processing and persistent but slow state on secondary storage for durability. Persistent memory (PMem), as a new technology in the storage hierarchy, blurs the lines between these states by offering both byte-addressability and low latency like DRAM as well persistence like secondary storage. These characteristics have the potential to cause a major performance shift in database systems. Driven by the potential impact that PMem has on data management systems, in this thesis we explore their use of PMem. We first evaluate the performance of real PMem hardware in the form of Intel Optane in a wide range of setups. To this end, we propose PerMA-Bench, a configurable benchmark framework that allows users to evaluate the performance of customizable database-related PMem access. Based on experimental results obtained with PerMA-Bench, we discuss findings and identify general and implementation-specific aspects that influence PMem performance and should be considered in future work to improve PMem-aware designs. We then propose Viper, a hybrid PMem-DRAM key-value store. Based on PMem-aware access patterns, we show how to leverage PMem and DRAM efficiently to design a key database component. Our evaluation shows that Viper outperforms existing key-value stores by 4–18x for inserts while offering full data persistence and achieving similar or better lookup performance. Next, we show which changes must be made to integrate PMem components into larger systems. By the example of stream processing engines, we highlight limitations of current designs and propose a prototype engine that overcomes these limitations. This allows our prototype to fully leverage PMem's performance for its internal state management. Finally, in light of Optane's discontinuation, we discuss how insights from PMem research can be transferred to future multi-tier memory setups by the example of Compute Express Link (CXL). Overall, we show that PMem offers high performance for state management, bridging the gap between fast but volatile DRAM and persistent but slow secondary storage. Although Optane was discontinued, new memory technologies are continuously emerging in various forms and we outline how novel designs for them can build on insights from existing PMem research. N2 - Die effiziente Verwaltung großer Zustände ist eine zentrale Herausforderung für Datenverwaltungssysteme. Traditionell wird der Zustand in einen schnellen, aber flüchtigen Zustand im Speicher für die Verarbeitung und einen persistenten, aber langsamen Zustand im Sekundärspeicher für die Speicherung unterteilt. Persistenter Speicher (PMem), eine neue Technologie in der Speicherhierarchie, lässt die Grenzen zwischen diesen Zuständen verschwimmen, indem er sowohl Byte-Adressierbarkeit und geringe Latenz wie DRAM als auch Persistenz wie Sekundärspeicher bietet. Diese Eigenschaften haben das Potenzial, die Leistung von Datenbanksystemen grundlegend zu verändern. Aufgrund der potenziellen Auswirkungen, die PMem auf Datenverwaltungssysteme hat, untersuchen wir in dieser Arbeit ihre Verwendung von PMem. Zunächst evaluieren wir die Leistung von echter PMem-Hardware in Form von Intel Optane in einer Vielzahl von Konfigurationen. Zu diesem Zweck stellen wir PerMA-Bench vor, ein konfigurierbares Benchmark-Framework, mit dem Benutzer die Leistung von anpassbaren datenbankbezogenen PMem-Zugriffen untersuchen können. Auf der Grundlage der mit PerMA-Bench erzielten experimentellen Ergebnisse diskutieren wir unsere Erkenntnisse und identifizieren allgemeine und implementierungsspezifische Aspekte, die die PMem-Leistung beeinflussen und in zukünftigen Arbeiten berücksichtigt werden sollten, um PMem-fähige Designs zu verbessern. Anschließend präsentieren wir Viper, einen hybriden PMem-DRAM Key-Value-Store. Basierend auf PMem-bewussten Zugriffsmustern zeigen wir, wie PMem und DRAM effizient genutzt werden können, um eine wichtige Datenbankkomponente zu entwickeln. Unsere Evaluierung zeigt, dass Viper bestehende Key-Value-Stores bei Einfügungen um 4- bis 18-mal übertrifft, während er gleichzeitig vollständige Datenpersistenz bietet und ähnliche oder bessere Lookup-Leistung erzielt. Als nächstes zeigen wir, welche Änderungen vorgenommen werden müssen, um PMem-Komponenten in größere Systeme zu integrieren. Am Beispiel von Datenstromverarbeitungssystemen zeigen wir die Einschränkungen aktueller Designs auf und stellen einen Prototyp eines Systems vor, das diese Einschränkungen überwindet. Dadurch kann unser Prototyp die Leistung von PMem für die interne Zustandsverwaltung voll ausnutzen. Schließlich erörtern wir angesichts der Abkündigung von Optane, wie Erkenntnisse aus der PMem-Forschung am Beispiel von Compute Express Link (CXL) auf künftige mehrstufige Speicher-Setups übertragen werden können. Insgesamt zeigen wir, dass PMem eine hohe Leistungsfähigkeit für die Zustandsverwaltung bietet und die Lücke zwischen schnellem, aber flüchtigem DRAM und beständigem, aber langsamem Sekundärspeicher schließt. Obwohl Optane eingestellt wurde, entstehen ständig neue Speichertechnologien in verschiedenen Formen, und wir skizzieren, wie neuartige Entwürfe für sie auf den Erkenntnissen aus der bestehenden PMem-Forschung aufbauen können. KW - persistent memory KW - pmem KW - database KW - data management KW - state management KW - Datenverwaltung KW - Datenbank KW - persistenter Speicher KW - pmem KW - Zustandsverwaltung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-625637 ER - TY - THES A1 - Benz, Eleanor T1 - The advisory function of the Inter-American Court of Human Rights T2 - Beiträge zum ausländischen öffentlichen Recht und Völkerrecht N2 - How do the rights of same-sex couples have to be ensured by states, and which kind of environmental obligations are induced by the right to life and to personal integrity? Questions as diverse and far-reaching as these are regularly dealt with by the Inter-American Court of Human Rights in its advisory function. This book is the first comprehensive, non-Spanish-written treatise on the advisory function of this Court. It analyzes the scope of the Court's advisory jurisdiction and its procedural practice in comparison with that of other international courts. Moreover, the legal effects of the Court’s advisory opinions and the question when the Court should better reject a request for an advisory opinion are examined. N2 - Wie müssen die Rechte gleichgeschlechtlicher Paare sichergestellt werden und welche umweltrechtlichen Verpflichtungen folgen aus dem Recht auf Leben und auf körperliche Unversehrtheit? Mit so unterschiedlichen und weitreichenden Fragen wie diesen befasst sich der Interamerikanische Gerichtshof für Menschenrechte regelmäßig im Rahmen seiner Gutachtenfunktion. Das Buch stellt die erste umfassende, nicht-spanischsprachige Abhandlung dieser Gutachtenfunktion dar. Es analysiert den Umfang der Gutachtenjurisdiktion und die Verfahrenspraxis des Gerichtshofs im Vergleich mit der anderer internationaler Gerichtshöfe. Außerdem wird die rechtliche Wirkung der Gutachten und die Frage, wann der Gerichtshof Gutachtenanfragen ablehnen sollte, untersucht. KW - right to life Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.5771/9783748919803 SN - 978-3-7489-1980-3 SN - 978-3-7560-1443-9 VL - 329 PB - Nomos CY - Baden-Baden ER - TY - THES A1 - Blanz, Alkis T1 - Essays on the macroeconomics of climate change and policy Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Blaser, Berenike Lisa T1 - Premenstrual symptoms as a function of altered central autonomous nervous activity T1 - Prämenstruelle Symptome als Funktion veränderter zentralautonomer Netzwerkaktivität BT - a neurovisceral integration perspective on premenstrual syndrome BT - eine neuroviszerale Integrations-Perspektive auf das Prämenstruelle Syndrom N2 - The experience of premenstrual syndrome (PMS) affects up to 90% of individuals with an active menstrual cycle and involves a spectrum of aversive physiological and psychological symptoms in the days leading up to menstruation (Tschudin et al., 2010). Despite its high prevalence, the precise origins of PMS remain elusive, with influences ranging from hormonal fluctuations to cognitive, social, and cultural factors (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013). Biologically, hormonal fluctuations, particularly in gonadal steroids, are commonly believed to be implicated in PMS, with the central factor being varying susceptibilities to the fluctuations between individuals and cycles (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolone (ALLO), a neuroactive steroid and progesterone metabolite, has emerged as a potential link to PMS symptoms (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO is a positive allosteric modulator of the GABAA receptor, influencing inhibitory communication (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Different susceptibility to ALLO fluctuations throughout the cycle may lead to reduced GABAergic signal transmission during the luteal phase of the menstrual cycle. The GABAergic system's broad influence leads to a number of affected physiological systems, including a consistent reduction in vagally mediated heart rate variability (vmHRV) during the luteal phase (Schmalenberger et al., 2019). This reduction in vmHRV is more pronounced in individuals with high PMS symptoms (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Fear conditioning studies have shown inconsistent associations with cycle phases, suggesting a complex interplay between physiological parameters and PMS-related symptoms (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006). The neurovisceral integration model posits that vmHRV reflects the capacity of the central autonomous network (CAN), which is responsible for regulatory processes on behavioral, cognitive, and autonomous levels (Thayer & Lane, 2000, 2009). Fear learning, mediated within the CAN, is suggested to be indicative of vmHRV's capacity for successful VI regulation (Battaglia & Thayer, 2022). Given the GABAergic mediation of central inhibitory functional connectivity in the CAN, which may be affected by ALLO fluctuations, this thesis proposes that fluctuating CAN activity in the luteal phase contributes to diverse aversive symptoms in PMS. A research program was designed to empirically test these propositions. Study 1 investigated fear discrimination during different menstrual cycle phases and its interaction with vmHRV, revealing nuanced effects on acoustic startle response and skin conductance response. While there was heightened fear discrimination in acoustic startle responses in participants in the luteal phase, there was an interaction between menstrual cycle phase and vmHRV in skin conductance responses. In this measure, heightened fear discrimination during the luteal phase was only visible in individuals with high resting vmHRV; those with low vmHRV showed reduced fear discrimination and higher overall responses. Despite affecting the vast majority of menstruating people, there are very limited tools available to reliably assess these symptoms in the German speaking area. Study 2 aimed at closing this gap, by translating and validating a German version of the short version of the Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), providing a reliable tool for future investigations, which closes the gap in PMS questionnaires in the German-speaking research area. Study 3 employed a diary study paradigm to explore daily associations between vmHRV and PMS symptoms. The results showed clear simultaneous fluctuations between the two constructs with a peak in PMS and a low point in vmHRV a few days before menstruation onset. The association between vmHRV and PMS was driven by psychological PMS symptoms. Based on the theoretical considerations regarding the neurovisceral perspective on PMS, another interesting construct to consider is attentional control, as it is closely related to functions of the CAN. Study 4 delved into attentional control and vmHRV differences between menstrual cycle phases, demonstrating an interaction between cycle phase and PMS symptoms. In a pilot, we found reduced vmHRV and attentional control during the luteal phase only in participants who reported strong PMS. While Studies 1-4 provided evidence for the mechanisms underlying PMS, Studies 5 and 6 investigated short- and long-term intervention protocols to ameliorate PMS symptomatology. Study 5 explored the potential of heart rate variability biofeedback (HRVB) in alleviating PMS symptoms and a number of other outcome measures. In a waitlist-control design, participants underwent a 4-week smartphone-based HRVB intervention. The results revealed positive effects on PMS, with larger effect sizes on psychological symptoms, as well as on depressive symptoms, anxiety/stress and attentional control. Finally, Study 6 examined the acute effects of HRVB on attentional control. The study found positive impact but only in highly stressed individuals. The thesis, based on this comprehensive research program, expands our understanding of PMS as an outcome of CAN fluctuations mediated by GABAA receptor reactivity. The results largely support the model. These findings not only deepen our understanding of PMS but also offer potential avenues for therapeutic interventions. The promising results of smartphone-based HRVB training suggest a non-pharmacological approach to managing PMS symptoms, although further research is needed to confirm its efficacy. In conclusion, this thesis illuminates the complex web of factors contributing to PMS, providing valuable insights into its etiological underpinnings and potential interventions. By elucidating the relationships between hormonal fluctuations, CAN activity, and psychological responses, this research contributes to more effective treatments for individuals grappling with the challenges of PMS. The findings hold promise for improving the quality of life for those affected by this prevalent and often debilitating condition. N2 - Das prämenstruelle Syndrom (PMS) betrifft bis zu 90% aller Personen mit einem aktiven Menstruationszyklus und umfasst ein Spektrum aversiver physiologischer und psychologischer Symptome in den Tagen vor der Menstruation (Tschudin et al., 2010). Trotz der hohen Prävalenz bleiben die genauen Ursachen von PMS weitgehend unklar, wobei Einflüsse von hormonellen Schwankungen bis hin zu kognitiven, sozialen und kulturellen Faktoren reichen (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013). Von einer biologischen Perspektive werden hormonelle Schwankungen insbesondere in den Geschlechtshormonen häufig mit PMS in Verbindung gebracht. Dabei gelten individuelle und zyklusabhängige Anfälligkeiten gegenüber der hormonellen Schwankungen als zentraler Faktor (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolon (ALLO), ein neuroaktives Steroid und ein Progesteronmetabolit, hat sich als potenzielle Verbindung zu PMS-Symptomen herausgestellt (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO ist ein positiver allosterischer Modulator des GABAA-Rezeptors, der die inhibitorische Kommunikation beeinflusst (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Eine unterschiedliche Anfälligkeit für ALLO-Schwankungen im Verlauf des Menstruationszyklus kann zu einer verminderten GABAergen Signalübertragung während der Lutealphase führen. Der breite Einfluss des GABAergen Systems führt zu einer Vielzahl von betroffenen physiologischen Systemen, einschließlich einer konstanten Reduktion der vagal vermittelten Herzfrequenzvariabilität (vmHRV) während der Lutealphase (Schmalenberger et al., 2019). Diese Reduktion der vmHRV ist bei Personen mit starken PMS-Symptomen stärker ausgeprägt (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Studien zur Furchtkonditionierung haben inkonsistente Assoziationen mit den Zyklusphasen gezeigt, was auf ein komplexes Zusammenspiel zwischen physiologischen Parametern und PMS-spezifischen Symptomen hindeutet (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006). Das neuroviszerale Integrationsmodell postuliert, dass die vmHRV die Kapazität des zentralen autonomen Netzwerks (CAN) widerspiegelt, das für regulatorische Prozesse auf Verhaltens-, kognitiver und autonomer Ebene verantwortlich ist (Thayer & Lane, 2000, 2009). Das innerhalb des CAN vermittelte Furchtlernen wird als Indikator für die Fähigkeit der vmHRV zur erfolgreichen Regulation betrachtet (Battaglia & Thayer, 2022). Angesichts der GABAergen Vermittlung der zentralen inhibitorischen funktionellen Konnektivität im CAN, die durch ALLO-Schwankungen beeinflusst werden kann, postuliert diese Arbeit, dass eine fluktuierende CAN-Aktivität in der Lutealphase zu den vielfältigen aversiven Symptomen des PMS beiträgt. Ein Forschungsprogramm wurde konzipiert, um diese Annahmen empirisch zu überprüfen. Studie 1 untersuchte die Furchtdiskriminierung während verschiedener Menstruationszyklusphasen und deren Wechselwirkung mit vmHRV. Dabei wurden nuancierte Effekte auf den akustischen Schreckreflex und die Hautleitfähigkeitsreaktion aufgedeckt. Während eine gesteigerte Furchtdiskriminierung in akustischen Startlereaktionen bei Teilnehmenden in der Lutealphase festgestellt wurde, zeigte sich in den Hautleitfähigkeitsreaktionen eine Wechselwirkung zwischen Menstruationszyklusphase und vmHRV. In dieser Variable war eine erhöhte Furchtdiskriminierung während der Lutealphase nur bei Personen mit hoher Ruhe-vmHRV sichtbar; Personen mit niedriger vmHRV zeigten eine verringerte Furchtdiskriminierung und insgesamt stärkere Reaktionen. Trotzdem PMS die Mehrzahl aller menstruierender Personen betrifft, gibt es im deutschen Sprachraum wenige Instrumente, die die Symptomatik reliabel erfassen. Um diese Lücke zu schließen, übersetzte und validierte Studie 2 eine deutsche Version der Kurzversion der Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), wodurch ein reliables Instrument für zukünftige Untersuchungen bereitgestellt wurde. Dieses schließt eine Lücke in PMS-Fragebögen in der deutschen Forschungslandschaft. Studie 3 verwendete ein Tagebuchstudienparadigma, um tägliche Zusammenhänge zwischen vmHRV und PMS-Symptomen zu erforschen. Die Ergebnisse zeigten klare simultane Fluktuationen zwischen den beiden Konstrukten mit einem Höhepunkt in PMS und einem Tiefpunkt in vmHRV einige Tage vor Beginn der Menstruation. Die Assoziation zwischen vmHRV und PMS wurde hautsächlich durch psychologische PMS-Symptome verursacht. Basierend auf den theoretischen Überlegungen zur neuroviszeralen Perspektive auf PMS, ist ein weiteres interessantes zu betrachtende Konstrukt Aufmerksamkeitskontrolle, da diese eng mit Funktionen des CAN zusammenhängt. Studie 4 untersuchte Aufmerksamkeitskontrolle und Unterschiede in der vmHRV zwischen der Luteal- und Follikelphase des Menstruationszyklus und zeigte eine Wechselwirkung zwischen Zyklusphase und PMS-Symptomen. In einer Pilotstudie fanden wir eine reduzierte vmHRV und Aufmerksamkeitskontrolle während der Lutealphase ausschließlich bei Teilnehmenden, die starke PMS-Symptome berichteten. Während die Studien 1-4 Evidenz für die Mechanismen hinter PMS lieferten, untersuchten Studien 5 und 6 Kurz- und Langzeitinterventionsprotokolle zur Verbesserung der PMS-Symptomatik. Studie 5 untersuchte den Effekt von Herzratenvariabilitätsbiofeedback (HRVB) auf PMS-Symptome und einer Reihe anderer Outcomemaße. In einem Wartelisten-Kontroll-Design durchliefen die Teilnehmenden eine 4-wöchige Smartphone-basierte HRVB-Intervention. Die Ergebnisse zeigten positive Effekte auf PMS, mit größeren Effektstärken in psychologischen Symptomen, sowie bei depressiven Symptomen, Ängstlichkeit/Stress und Aufmerksamkeitskontrolle. Schließlich untersuchte Studie 6 die akuten Effekte von HRVB auf Aufmerksamkeitskontrolle. Die Studie zeigte positive Effekte, jedoch nur bei stark gestressten Personen. KW - premenstrual syndrome KW - prämenstruelles Syndrom KW - heart rate variability KW - Herzratenvariabilität KW - biofeedback KW - Aufmerksamkeit KW - attention Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-645970 ER - TY - THES A1 - Boila, Chiara T1 - The processing of OVS and passive sentences in German monolingual and German-Italian simultaneous bilingual children T1 - Die Verarbeitung von OVS- und Passiv-Sätzen in deutschen monolingualen und deutsch-italienisch simultan-bilingualen Kindern N2 - It is a common finding that preschoolers have difficulties in identifying who is doing what to whom in non-canonical sentences, such as (object-verb-subject) OVS and passive sentences in German. This dissertation investigates how German monolingual and German-Italian simultaneous bilingual children process German OVS sentences in Study 1 and German passives in Study 2. Offline data (i.e., accuracy data) and online data (i.e., eye-gaze and pupillometry data) were analyzed to explore whether children can assign thematic roles during sentence comprehension and processing. Executive functions, language-internal and -external factors were investigated as potential predictors for children’s sentence comprehension and processing. Throughout the literature, there are contradicting findings on the relation between language and executive functions. While some results show a bilingual cognitive advantage over monolingual speakers, others suggest there is no relationship between bilingualism and executive functions. If bilingual children possess more advanced executive function abilities than monolingual children, then this might also be reflected in a better performance on linguistic tasks. In the current studies monolingual and bilingual children were tested by means of two executive function tasks: the Flanker task and the task-switching paradigm. However, these findings showed no bilingual cognitive advantages and no better performance by bilingual children in the linguistic tasks. The performance was rather comparable between bilingual and monolingual children, or even better for the monolingual group. This may be due to cross-linguistic influences and language experience (i.e., language input and output). Italian was used because it does not syntactically overlap with the structure of German OVS sentences, and it only overlapped with one of the two types of sentence condition used for the passive study - considering the subject-(finite)verb alignment. The findings showed a better performance of bilingual children in the passive sentence structure that syntactically overlapped in the two languages, providing evidence for cross-linguistic influences. Further factors for children’s sentence comprehension were considered. The parents’ education, the number of older siblings and language experience variables were derived from a language background questionnaire completed by parents. Scores of receptive vocabulary and grammar, visual and short-term memory and reasoning ability were measured by means of standardized tests. It was shown that higher German language experience by bilinguals correlates with better accuracy in German OVS sentences but not in passive sentences. Memory capacity had a positive effect on the comprehension of OVS and passive sentences in the bilingual group. Additionally, a role was played by executive function abilities in the comprehension of OVS sentences and not of passive sentences. It is suggested that executive function abilities might help children in the sentence comprehension task when the linguistic structures are not yet fully mastered. Altogether, these findings show that bilinguals’ poorer performance in the comprehension and processing of German OVS is mainly due to reduced language experience in German, and that the different performance of bilingual children with the two types of passives is mainly due to cross-linguistic influences. N2 - Es ist ein häufiger Befund, dass Vorschulkinder Schwierigkeiten haben zu erkennen ‚wer etwas mit jemandem tut‘ in nicht-kanonischen Sätzen, wie z.B. deutsche OVS- (Objekt-Verb-Subjekt) oder Passiv-Sätze. Diese Dissertation untersucht wie deutsche monolinguale und deutsch-italienische simultan-bilinguale Kinder deutsche OVS-Sätze (Studie 1) und deutsche Passiv-Sätze (Studie 2) verarbeiten. Offline-Daten (z.B. Datengenauigkeit) und Online-Daten (z.B. Blickbewegung-Daten und Pupillometrie-Daten) wurden analysiert, um herauszufinden, ob Kinder thematische Rollen während Satzverständnis und Satzverarbeitung zuteilen können. Exekutive Funktionen, interne und externe Sprachfaktoren wurden als mögliche Prädiktoren für Satzverständnis und Satzverarbeitung in Kindern untersucht. In der Literatur findet man unterschiedliche Ergebnisse über den Zusammenhang zwischen Sprache und exekutiven Funktionen. Während einige Ergebnisse kognitive Vorteile für bilinguale Sprecher zeigen, deuten andere darauf hin, dass es keinen Zusammenhang zwischen Bilingualismus und exekutiven Funktionen gibt. Wenn bilinguale Kinder fortgeschrittene exekutive Funktionen im Vergleich zu monolingualen Kindern haben, könnte sich dies auch in besseren Leistungen in linguistischen Aufgaben widerspiegeln. In diesem Forschungsprojekt wurden monolinguale und bilinguale Kinder mit zwei verschiedenen Aufgaben getestet, die die exekutiven Funktionen messen: der Flanker-Test und das Aufgabenwechsel-Paradigma. Die Ergebnisse konnten jedoch keinen bilingualen kognitiven Vorteil und keine besseren Leistungen von bilingualen Kindern in den linguistischen Aufgaben belegen. Die Leistung war vergleichbar zwischen monolingualen und bilingualen Kindern, oder sogar besser in der monolingualen Gruppe. Dies könnte an cross-linguistische Einflüssen und Spracherfahrung (z.B. Sprach-Input und -Output) liegen. Italienisch wurde gewählt, da es zum einen keine syntaktischen Überschneidungen mit der Struktur von deutschen OVS-Sätzen aufweist, und zum anderen sich nur in einer von zwei der in der Passiv-Studie genutzten Satz-Bedingungen überschneidet – im Hinblick auf die Subjekt-(finite) Verb Ausrichtung. Die Ergebnisse zeigen eine bessere Leistung von bilingualen Kindern in Passiv-Sätzen, die eine syntaktische Überschneidung in den zwei Sprachen aufweisen, und zeigen somit Hinweise für cross-linguistische Einflüsse. Weitere Einflussfaktoren auf das Satzverständnis der Kinder wurden berücksichtigt. Der Bildungsgrad der Eltern, die Anzahl von älteren Geschwistern und Spracherfahrungsvariablen wurden über den, von den Eltern beantworteten, Sprachhintergrund-Fragebogen abgeleitet. Werte zu rezeptivem Vokabular und Grammatik, Visuelles- und Kurzeitgedächtnis und Denkfähigkeit wurden durch standardisierte Tests erhoben. Es konnte gezeigt werden, dass größere Spracherfahrung im Deutschen bei bilingualen Kindern mit einer größeren Genauigkeit bei deutschen OVS-Sätzen korreliert, aber nicht bei Passiv-Sätzen. Bessere Gedächtnisleistung hatte einen positiven Effekt auf das Sprachverständnis der bilingualen Gruppe bei OVS- und Passiv-Sätzen. Zusätzlich spielten exekutive Funktionen eine Rolle beim Verständnis von OVS-Sätzen, aber nicht bei Passiv-Sätzen. Es wird angenommen, dass exekutive Funktionen Kindern in Satzverständnisaufgaben helfen könnten, wenn die linguistischen Strukturen noch nicht vollständig beherrscht werden. Zusammengenommen zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass die geringere Leistung von bilingualen Kindern beim Satzverständnis und Satzverarbeitung von deutschen OVS Sätzen hauptsächlich an der geringeren Spracherfahrung im Deutschen liegt und, dass die unterschiedliche Leistung von bilingualen Kindern mit den zwei Strukturen des Passivs überwiegend auf cross-linguistische Einflüsse zurückzuführen ist. KW - sentence processing KW - bilingualism KW - executive functions KW - eye-tracking KW - Bilingualismus KW - exekutive Funktionen KW - Eye-Tracking-Verfahren KW - Satzverarbeitung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-629723 ER - TY - THES A1 - Brembach, Theresa-Charlotte T1 - Regulators and effects of neutrophilic granulocytes in hidradenitis suppurativa Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Cheng, Feng T1 - Evolution and ontogeny of electric organ discharge in African weakly electric fish genus Campylomormyrus: a genomic and transcriptomic perspective N2 - The African weakly electric fishes (Mormyridae) exhibit a remarkable adaptive radiation possibly due to their species-specific electric organ discharges (EODs). It is produced by a muscle-derived electric organ that is located in the caudal peduncle. Divergence in EODs acts as a pre-zygotic isolation mechanism to drive species radiations. However, the mechanism behind the EOD diversification are only partially understood. The aim of this study is to explore the genetic basis of EOD diversification from the gene expression level across Campylomormyrus species/hybrids and ontogeny. I firstly produced a high quality genome of the species C. compressirostris as a valuable resource to understand the electric fish evolution. The next study compared the gene expression pattern between electric organs and skeletal muscles in Campylomormyrus species/hybrids with different types of EOD duration. I identified several candidate genes with an electric organ-specific expression, e.g. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. The overall genes expression pattern exhibited a significant association with EOD duration in all analyzed species/hybrids. The expression of several candidate genes, e.g. KCNJ2, KLF5, KCNK6 and KCNQ5, possibly contribute to the regulation of EOD duration in Campylomormyrus due to their increasing or decreasing expression. Several potassium channel genes showed differential expression during ontogeny in species and hybrid with EOD alteration, e.g. KCNJ2. I next explored allele specific expression of intragenus hybrids by crossing the duration EOD species C. compressirostris with the medium duration EOD species C. tshokwe and the elongated duration EOD species C. rhynchophorus. The hybrids exhibited global expression dominance of the C. compressirostris allele in the adult skeletal muscle and electric organ, as well as in the juvenile electric organ. Only the gene KCNJ2 showed dominant expression of the allele from C. rhynchophorus, and this was increasingly dominant during ontogeny. It hence supported our hypothesis that KCNJ2 is a key gene of regulating EOD duration. Our results help us to understand, from a genetic perspective, how gene expression effect the EOD diversification in the African weakly electric fish. N2 - Die Mormyridae, eine Familie afrikanischer schwach elektrischer Süßwasserfische, zeigen eine außergewöhnliche adaptive Radiation. Eine Erklärung für die Diversifizierung dieser Gruppe stellen die artspezifischen elektrischen Organentladungen (EODs) dar. Diese werden von einem elektrischen Organ muskulären Ursprungs im Ansatz der Schwanzflosse erzeugt. Die verschiedenen EODs könnten als präzygotischer Isolationsmechanismus für die Radiation verantwortlich sein. Dennoch ist der Mechanismus hinter der EOD-Diversifizierung bisher nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Studie ist es, die genetische Grundlage der EOD-Diversifizierung auf der Ebene der Genexpression bei verschiedenen Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden und während der Ontogenese zu ermitteln. Zunächst wurde erstmals das Genom der Art C. compressirostris in hoher Qualität sequenziert. Dies bildet eine bedeutende Grundlage für das Verständnis der Evolution der elektrischen Fische. In der zweiten Studie wurden Genexpressionsmuster von elektrischen Organen und Skelettmuskeln bei Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden mit unterschiedlicher EOD-Dauer verglichen. Dabei konnten mehrere Kandidatengene identifiziert werden, die potentiell Elektroorgan-spezifisch exprimiert sind, i.a. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. Bei allen untersuchten Arten/Hybriden wies das Genexpressionsmuster einen signifikanten Zusammenhang mit der EOD-Dauer auf. Die Expression mehrerer Kandidatengene, wie beispielsweise KCNJ2, KLF5, KCNK6 und KCNQ5, trägt möglicherweise zur Regulierung der EOD-Dauer bei Campylomormyrus bei. Bei Arten und Hybriden mit EOD-Unterschieden zeigten Kaliumkanal-Gene wie KCNJ2 eine unterschiedliche Expression während der Ontogenese. Zudem wurde die Allel-spezifische Expression bei Intragenus-Hybriden unter Verwendung der Arten C. compressirostris, C. tshokwe und C. rhynchophorus, die jeweils eine kurze, intermediäre bzw. lange EOD-Dauer aufweisen, untersucht. Die Hybriden wiesen eine generell dominante Expression der Allele von C. compressirostris in der adulten Skelettmuskulatur und im elektrischen Organ sowie im juvenilen elektrischen Organ auf. Einzig im Gen KCNJ2 dominierte das Allel von C. rhynchophorus, mit zunehmender Dominanz mit fortschreitender Ontogenese. Dies stützt unsere Hypothese einer Beteiligung des KCNJ2-Gens an der Regulation der EOD-Dauer. Unsere Ergebnisse stellen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Einflusses der Genexpression auf die EOD-Diversifizierung bei afrikanischen schwach elektrischen Fischen dar. KW - tropical freshwater fish KW - weakly electric fish KW - genomics KW - transcriptomics KW - Genomik KW - Transkriptomik KW - tropische Süßwasserfische KW - schwach elektrischer Fisch Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630172 ER - TY - THES A1 - Damseaux, Adrien T1 - Improving permafrost dynamics in land surface models: insights from dual sensitivity experiments T1 - Verbesserung der Permafrostdynamik in Landoberflächenmodellen: Erkenntnisse aus doppelten Sensitivitätsexperimenten N2 - The thawing of permafrost and the subsequent release of greenhouse gases constitute one of the most significant and uncertain positive feedback loops in the context of climate change, making predictions regarding changes in permafrost coverage of paramount importance. To address these critical questions, climate scientists have developed Land Surface Models (LSMs) that encompass a multitude of physical soil processes. This thesis is committed to advancing our understanding and refining precise representations of permafrost dynamics within LSMs, with a specific focus on the accurate modeling of heat fluxes, an essential component for simulating permafrost physics. The first research question overviews fundamental model prerequisites for the representation of permafrost soils within land surface modeling. It includes a first-of-its-kind comparison between LSMs in CMIP6 to reveal their differences and shortcomings in key permafrost physics parameters. Overall, each of these LSMs represents a unique approach to simulating soil processes and their interactions with the climate system. Choosing the most appropriate model for a particular application depends on factors such as the spatial and temporal scale of the simulation, the specific research question, and available computational resources. The second research question evaluates the performance of the state-of-the-art Community Land Model (CLM5) in simulating Arctic permafrost regions. Our approach overcomes traditional evaluation limitations by individually addressing depth, seasonality, and regional variations, providing a comprehensive assessment of permafrost and soil temperature dynamics. I compare CLM5's results with three extensive datasets: (1) soil temperatures from 295 borehole stations, (2) active layer thickness (ALT) data from the Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM), and (3) soil temperatures, ALT, and permafrost extent from the ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). The results show that CLM5 aligns well with ESA-CCI and CALM for permafrost extent and ALT but reveals a significant global cold temperature bias, notably over Siberia. These results echo a persistent challenge identified in numerous studies: the existence of a systematic 'cold bias' in soil temperature over permafrost regions. To address this challenge, the following research questions propose dual sensitivity experiments. The third research question represents the first study to apply a Plant Functional Type (PFT)-based approach to derive soil texture and soil organic matter (SOM), departing from the conventional use of coarse-resolution global data in LSMs. This novel method results in a more uniform distribution of soil organic matter density (OMD) across the domain, characterized by reduced OMD values in most regions. However, changes in soil texture exhibit a more intricate spatial pattern. Comparing the results to observations reveals a significant reduction in the cold bias observed in the control run. This method shows noticeable improvements in permafrost extent, but at the cost of an overestimation in ALT. These findings emphasize the model's high sensitivity to variations in soil texture and SOM content, highlighting the crucial role of soil composition in governing heat transfer processes and shaping the seasonal variation of soil temperatures in permafrost regions. Expanding upon a site experiment conducted in Trail Valley Creek by \citet{dutch_impact_2022}, the fourth research question extends the application of the snow scheme proposed by \citet{sturm_thermal_1997} to cover the entire Arctic domain. By employing a snow scheme better suited to the snow density profile observed over permafrost regions, this thesis seeks to assess its influence on simulated soil temperatures. Comparing this method to observational datasets reveals a significant reduction in the cold bias that was present in the control run. In most regions, the Sturm run exhibits a substantial decrease in the cold bias. However, there is a distinctive overshoot with a warm bias observed in mountainous areas. The Sturm experiment effectively addressed the overestimation of permafrost extent in the control run, albeit resulting in a substantial reduction in permafrost extent over mountainous areas. ALT results remain relatively consistent compared to the control run. These outcomes align with our initial hypothesis, which anticipated that the reduced snow insulation in the Sturm run would lead to higher winter soil temperatures and a more accurate representation of permafrost physics. In summary, this thesis demonstrates significant advancements in understanding permafrost dynamics and its integration into LSMs. It has meticulously unraveled the intricacies involved in the interplay between heat transfer, soil properties, and snow dynamics in permafrost regions. These insights offer novel perspectives on model representation and performance. N2 - Das Auftauen von Permafrost und die anschließende Freisetzung von Treibhausgasen stellen eine der bedeutendsten und unsichersten positiven Rückkopplungsschleifen im Kontext des Klimawandels dar, was Vorhersagen über Veränderungen der Permafrostverbreitung von größter Bedeutung macht. Um diese kritischen Fragen zu adressieren, haben Klimawissenschaftler Landoberflächenmodelle (LSMs) entwickelt, die eine Vielzahl physikalischer Bodenprozesse umfassen. Diese Dissertation widmet sich der Vertiefung unseres Verständnisses und der Verfeinerung präziser Darstellungen der Permafrostdynamik innerhalb von LSMs, mit einem besonderen Fokus auf die genaue Modellierung von Wärmeflüssen, einem wesentlichen Bestandteil der Simulation von Permafrostphysik. Die erste Forschungsfrage gibt einen Überblick über grundlegende Modellanforderungen für die Darstellung von Permafrostböden innerhalb der Landoberflächenmodellierung. Sie beinhaltet einen erstmaligen Vergleich zwischen LSMs im Rahmen von CMIP6, um deren Unterschiede und Schwächen in den Schlüsselparametern der Permafrostphysik aufzuzeigen. Insgesamt repräsentiert jedes dieser LSMs einen einzigartigen Ansatz zur Simulation von Bodenprozessen und deren Wechselwirkungen mit dem Klimasystem. Die Wahl des am besten geeigneten Modells für eine bestimmte Anwendung hängt von Faktoren wie dem räumlichen und zeitlichen Maßstab der Simulation, der spezifischen Forschungsfrage und den verfügbaren Rechenressourcen ab. Die zweite Forschungsfrage bewertet die Leistungsfähigkeit des hochmodernen Community Land Model (CLM5) bei der Simulation arktischer Permafrostregionen. Unser Ansatz überwindet traditionelle Evaluationsbeschränkungen, indem er Tiefe, Saisonalität und regionale Variationen einzeln berücksichtigt und eine umfassende Bewertung der Permafrost- und Bodentemperaturdynamik liefert. Ich vergleiche die Ergebnisse von CLM5 mit drei umfangreichen Datensätzen: (1) Bodentemperaturen von 295 Bohrlochstationen, (2) Daten zur aktiven Schichtdicke (ALT) aus dem Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM) und (3) Bodentemperaturen, ALT und Permafrostausdehnung aus der ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). Die Ergebnisse zeigen, dass CLM5 gut mit ESA-CCI und CALM für Permafrostausdehnung und ALT übereinstimmt, jedoch eine signifikante globale kalte Temperaturabweichung aufweist, insbesondere über Sibirien. Diese Ergebnisse spiegeln eine anhaltende Herausforderung wider, die in zahlreichen Studien identifiziert wurde: das Vorhandensein einer systematischen "kalten Abweichung" bei Bodentemperaturen in Permafrostregionen. Um diese Herausforderung anzugehen, schlagen die folgenden Forschungsfragen duale Sensitivitätsexperimente vor. Die dritte Forschungsfrage stellt die erste Studie dar, die einen pflanzenfunktionstypbasierten Ansatz (PFT) zur Ableitung von Bodentextur und organischer Bodensubstanz (SOM) anwendet und sich von der herkömmlichen Verwendung grob aufgelöster globaler Daten in LSMs abwendet. Diese neuartige Methode führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Dichte organischer Bodensubstanz (OMD) im gesamten Bereich, gekennzeichnet durch geringere OMD-Werte in den meisten Regionen. Veränderungen in der Bodentextur zeigen jedoch ein komplexeres räumliches Muster. Der Vergleich der Ergebnisse mit Beobachtungen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf beobachtet wurde. Diese Methode zeigt bemerkenswerte Verbesserungen in der Permafrostausdehnung, jedoch auf Kosten einer Überschätzung der ALT. Diese Ergebnisse unterstreichen die hohe Empfindlichkeit des Modells gegenüber Variationen in der Bodentextur und dem SOM-Gehalt und heben die entscheidende Rolle der Bodenbeschaffenheit bei der Steuerung der Wärmeübertragungsprozesse und der saisonalen Variation der Bodentemperaturen in Permafrostregionen hervor. Aufbauend auf einem Standortexperiment im Trail Valley Creek von Dutch et al. (2022) erweitert die vierte Forschungsfrage die Anwendung des von Sturm et al. (1997) vorgeschlagenen Schneeschemas auf das gesamte arktische Gebiet. Durch die Anwendung eines Schneeschemas, das besser zu dem in Permafrostregionen beobachteten Schneedichteprofil passt, versucht diese Dissertation, dessen Einfluss auf die simulierten Bodentemperaturen zu bewerten. Der Vergleich dieser Methode mit Beobachtungsdatensätzen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf vorhanden war. In den meisten Regionen weist der Sturm-Lauf eine erhebliche Verringerung der kalten Abweichung auf. Es gibt jedoch eine deutliche Überschreitung mit einer warmen Abweichung in Bergregionen. Das Sturm-Experiment hat die Überschätzung der Permafrostausdehnung im Kontrolllauf wirksam angegangen, was jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der Permafrostausdehnung in Bergregionen führte. Die ALT-Ergebnisse bleiben im Vergleich zum Kontrolllauf relativ konsistent. Diese Ergebnisse entsprechen unserer ursprünglichen Hypothese, die erwartete, dass die reduzierte Schneedecke im Sturm-Lauf zu höheren Winterbodentemperaturen und einer genaueren Darstellung der Permafrostphysik führen würde. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation bedeutende Fortschritte im Verständnis der Permafrostdynamik und deren Integration in LSMs. Sie hat die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Wärmeübertragung, Bodeneigenschaften und Schneedynamik in Permafrostregionen sorgfältig entschlüsselt. Diese Erkenntnisse bieten neue Perspektiven auf die Modellierung und Leistung von Modellen. KW - snow thermal conductivity KW - soil organic matter KW - model validation KW - Modellvalidierung KW - Wärmeleitfähigkeit von Schnee KW - organische Bodensubstanz Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639450 ER - TY - THES A1 - Dronsella, Beau B. T1 - Overcoming natural biomass limitations in gram-negative bacteria through synthetic carbon fixation T1 - Überwindung natürlicher Biomasselimitationen in gramnegativen Bakterien mittels synthetischer Kohlenstofffixierung N2 - The carbon demands of an ever-increasing human population and the concomitant rise in net carbon emissions requires CO2 sequestering approaches for production of carbon-containing molecules. Microbial production of carbon-containing products from plant-based sugars could replace current fossil-based production. However, this form of sugar-based microbial production directly competes with human food supply and natural ecosystems. Instead, one-carbon feedstocks derived from CO2 and renewable energy were proposed as an alternative. The one carbon molecule formate is a stable, readily soluble and safe-to-store energetic mediator that can be electrochemically generated from CO2 and (excess off-peak) renewable electricity. Formate-based microbial production could represent a promising approach for a circular carbon economy. However, easy-to-engineer and efficient formate-utilizing microbes are lacking. Multiple synthetic metabolic pathways were designed for better-than-nature carbon fixation. Among them, the reductive glycine pathway was proposed as the most efficient pathway for aerobic formate assimilation. While some of these pathways have been successfully engineered in microbial hosts, these synthetic strains did so far not exceed the performance of natural strains. In this work, I engineered and optimized two different synthetic formate assimilation pathways in gram-negative bacteria to exceed the limits of a natural carbon fixation pathway, the Calvin cycle. The first chapter solidified Cupriavidus necator as a promising formatotrophic host to produce value-added chemicals. The formate tolerance of C. necator was assessed and a production pathway for crotonate established in a modularized fashion. Last, bioprocess optimization was leveraged to produce crotonate from formate at a titer of 148 mg/L. In the second chapter, I chromosomally integrated and optimized the synthetic reductive glycine pathway in C. necator using a transposon-mediated selection approach. The insertion methodology allowed selection for condition-specific tailored pathway expression as improved pathway performance led to better growth. I then showed my engineered strains to exceed the biomass yields of the Calvin cycle utilizing wildtype C. necator on formate. This demonstrated for the first time the superiority of a synthetic formate assimilation pathway and by extension of synthetic carbon fixation efforts as a whole. In chapter 3, I engineered a segment of a synthetic carbon fixation cycle in Escherichia coli. The GED cycle was proposed as a Calvin cycle alternative that does not perform a wasteful oxygenation reaction and is more energy efficient. The pathways simple architecture and reasonable driving force made it a promising candidate for enhanced carbon fixation. I created a deletion strain that coupled growth to carboxylation via the GED pathway segment. The CO2 dependence of the engineered strain and 13C-tracer analysis confirmed operation of the pathway in vivo. In the final chapter, I present my efforts of implementing the GED cycle also in C. necator, which might be a better-suited host, as it is accustomed to formatotrophic and hydrogenotrophic growth. To provide the carboxylation substrate in vivo, I engineered C. necator to utilize xylose as carbon source and created a selection strain for carboxylase activity. I verify activity of the key enzyme, the carboxylase, in the decarboxylative direction. Although CO2-dependent growth of the strain was not obtained, I showed that all enzymes required for operation of the GED cycle are active in vivo in C. necator. I then evaluate my success with engineering a linear and cyclical one-carbon fixation pathway in two different microbial hosts. The linear reductive glycine pathway presents itself as a much simpler metabolic solution for formate dependent growth over the sophisticated establishment of hard-to-balance carbon fixation cycles. Last, I highlight advantages and disadvantages of C. necator as an upcoming microbial benchmark organism for synthetic metabolism efforts and give and outlook on its potential for the future of C1-based manufacturing. N2 - Der Rohstoffbedarf einer ständig wachsenden menschlichen Bevölkerung und der damit einhergehende Anstieg der Kohlenstoffemissionen erfordert Konzepte zur CO2-Bindung für die Produktion von kohlenstoffhaltigen Molekülen. Hier bietet die mikrobielle Produktion von Chemikalien eine nachhaltige Alternative zu den bisher etablierten Syntheseprozessen. Da die Nutzung von pflanzlich hergestelltem Zucker durch die entsprechenden Mikroben allerdings in direkter Konkurrenz zur menschlichen Nahrungsmittelversorgung steht, soll aus CO2 und erneuerbarer Energie synthetisiertes Formiat (Ameisensäure) als alternativer Nährstoff nutzbar gemacht werden. Formiat fungiert als ein stabiler, leicht löslicher und sicher zu lagernder Energiespeicher, der als Ausgangsstoff mikrobieller Produktionen einen vielversprechenden Ansatz für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft eröffnet. Dieses Potenzial wurde bisher nicht realisiert, da es an einfach zu modifizierenden Mikroben, die Formiat effizient nutzen, mangelt. Zwecks mikrobieller Formiatnutzung wurden deshalb synthetische Stoffwechselwege entwickelt, die die Ein-Kohlenstoff Quelle deutlich effizienter als natürliche Alternativen in den Metabolismus einbringen. Die effizienteste Variante für die aerobe Formiat-Assimilation ist hierbei der reduktive Glycin-Stoffwechselweg. Während Letzterer zwar bereits erfolgreich in Mikroben eingebracht wurde, übertraf die Leistung dieser synthetischen Stämme trotz der theoretisch höheren Stoffwechseleffizienz nicht die des natürlichen Stoffwechsels. In dieser Arbeit entwickelte und optimierte ich zwei verschiedene synthetische Ein-Kohlenstoff-Fixierungswege in gramnegativen Bakterien, um die Grenzen der natürlichen CO2 Nutzung zu überschreiten. Das erste Kapitel untersuchte das Potenzial von Cupriavidus necator als vielversprechenden formatotrophen Wirt für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert. Die Ameisensäuretoleranz von C. necator wurde getestet und ein Produktionsweg für Crotonat in einer modularen Weise etabliert. Schließlich wurde Bioprozessoptimierung genutzt, um Crotonat aus Formiat mit einem Titer von 148 mg/L zu produzieren. Im zweiten Kapitel integrierte ich den synthetischen reduktiven Glycinweg anstelle der nativen Formiatassimilierung chromosomal in C. necator und optimierte die Expressionsniveaus der beteiligten Enzyme und somit Wachstum des Stammes mit Hilfe eines transposonbasierten Selektionsansatzes. Die Kombination von randomisierter Insertionsmethodik und erzwungener Nutzung des Stoffwechselwegs für Wachstum auf Formiat ermöglichte hier die Selektion für bedingungsspezifisch optimale Expression des Stoffwechselweges, da eine höhere Operationsrate des Stoffwechselweges zu verbessertem Wachstum führte. Anschließend zeigte ich, dass meine optimierten synthetischen Stämme die Biomasseerträge des Calvin-Zyklus von C. necator auf Formiat übertrafen. Dies zeigte zum ersten Mal die bisher nur theoretisch prognostizierte Überlegenheit eines synthetischen Formiat-Assimilationsweges und damit der synthetischen Kohlenstofffixierung gegenüber natürlicher Kohlenstofffixierung. In Kapitel 3 entwickelte ich ein Segment des GED-Zyklus zur synthetischen CO2-Fixierung in Escherichia coli. Der GED-Zyklus ist eine Alternative zum Calvin-Zyklus, die im Gegensatz zu Letzterem keine ungewollte Aktivität mit Sauerstoff hat und somit energieeffizienter CO2 fixiert. Die einfache Architektur des Kreislaufs mit nur einer kritischen Reaktion macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für verbesserte Kohlenstofffixierung. Ich erzeugte einen Deletionsstamm, dessen Wachstum an besagte Reaktion, genauer die Carboxylierung mittels des GED-Segments, gekoppelt war. Die Fähigkeit des Stammes, CO2-abhängig zu wachsen, und die 13C-Tracer-Analyse bestätigten die Funktionalität des Weges in vivo. Im letzten Kapitel versuchte ich den GED-Zyklus auch in C. necator zu implementieren, da C. necator durch sein formatotrophes Wachstum potenziell ein vielversprechenderer Wirt sein könnte. Hierbei war das Wachstum des Calvin-Zyklus abhängigen Wildtyps, wie auch für den reduktiven Glycin-Weg, ein guter Referenzwert für den Vergleich mit den synthetischen Stämmen. Ich veränderte C. necator genetisch, sodass es das GED Substrat Xylose nutzt und zeigte, dass alle Enzyme für den Betrieb des Kohlenstofffixierungsweges in separierten Testeinheiten in vivo in C. necator funktional sind. Schließlich vergleiche ich meine Ergebnisse bezüglich der Entwicklung von linearer und zyklischer Ein-Kohlenstoff-Fixierung in zwei verschiedenen mikrobiellen Wirten. Es zeigt sich, dass der simplere lineare reduktive Glycinweg synthetische Formatotrophie von bisher unerschlossener Effizienz erlaubt, während sich die Realisierung komplexer autokatalytischer Kohlenstofffixierungszyklen als deutlich schwieriger erweist. Ich hebe die Vor- und Nachteile von C. necator als zukünftigem Plattformorganismus für synthetische Stoffwechselprozesse hervor und gebe einen Ausblick auf sein Potenzial für die Zukunft der C1-basierten Produktion. KW - synthetic biology KW - metabolic engineering KW - synthetic metabolism KW - carbon fixation KW - C1 assimilation KW - formate KW - reductive glycine pathway KW - GED cycle KW - cupriavidus necator KW - Ralstonia eutropha KW - H16 KW - Alcaligenes eutrophus KW - Wautersia eutropha KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Escherichia coli KW - bio-economy KW - Calvin cycle KW - Alcaligenes eutrophus KW - C1-Assimilation KW - Calvinzyklus KW - Escherichia coli KW - GED-Zyklus KW - H16 KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Ralstonia eutropha KW - Wautersia eutropha KW - Bioökonomie KW - Kohlenstofffixerung KW - Cupriavidus necator KW - Formiat KW - metabolisches Modifizieren KW - reduktiver Glycinstoffwechselweg KW - synthetische Biologie KW - synthetischer Metabolismus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646273 ER - TY - THES A1 - Dörries, Timo Julian T1 - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models N2 - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time. We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD. The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations. Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu) with 0