TY - THES A1 - Ehrig, Sebastian T1 - 3D curvature and its role on tissue organization N2 - Shape change is a fundamental process occurring in biological tissues during embryonic development and regeneration of tissues and organs. This process is regulated by cells that are constrained within a complex environment of biochemical and physical cues. The spatial constraint due to geometry has a determining role on tissue mechanics and the spatial distribution of force patterns that, in turn, influences the organization of the tissue structure. An understanding of the underlying principles of tissue organization may have wide consequences for the understanding of healing processes and the development of organs and, as such, is of fundamental interest for the tissue engineering community. This thesis aims to further our understanding of how the collective behaviour of cells is influenced by the 3D geometry of the environment. Previous research studying the role of geometry on tissue growth has mainly focused either on flat surfaces or on substrates where at least one of the principal curvatures is zero. In the present work, tissue growth from MC3T3-E1 pre-osteoblasts was investigated on surfaces of controlled mean curvature. One key aspect of this thesis was the development of substrates of controlled mean curvature and their visualization in 3D. It was demonstrated that substrates of controlled mean curvature suitable for cell culture can be fabricated using liquid polymers and surface tension effects. Using these substrates, it was shown that the mean surface curvature has a strong impact on the rate of tissue growth and on the organization of the tissue structure. It was thereby not only demonstrated that the amount of tissue produced (i.e. growth rates) by the cells depends on the mean curvature of the substrate but also that the tissue surface behaves like a viscous fluid with an equilibrium shape governed by the Laplace-Young-law. It was observed that more tissue was formed on highly concave surfaces compared to flat or convex surfaces. Motivated by these observations, an analytical model was developed, where the rate of tissue growth is a function of the mean curvature, which could successfully describe the growth kinetics. This model was also able to reproduce the growth kinetics of previous experiments where tissues have been cultured in straight-sided prismatic pores. A second part of this thesis focuses on the tissue structure, which influences the mechanical properties of the mature bone tissue. Since the extracellular matrix is produced by the cells, the cell orientation has a strong impact on the direction of the tissue fibres. In addition, it was recently shown that some cell types exhibit collective alignment similar to liquid crystals. Based on this observation, a computational model of self-propelled active particles was developed to explore in an abstract manner how the collective behaviour of cells is influenced by 3D curvature. It was demonstrated that the 3D curvature has a strong impact on the self-organization of active particles and gives, therefore, first insights into the principles of self-organization of cells on curved surfaces. N2 - Formänderung ist ein fundamentaler Vorgang während der embryonalen Entwicklung und der Regeneration von Geweben und Organen. Dieser Prozess wird von Zellen reguliert die in einer komplexen Umgebung von biochemischen und physikalischen Signalen eingebettet sind. Die räumliche Begrenzung der Zellen führt dabei zu Unterschieden in der Gewebemechanik und der räumlichen Verteilung von Kräften und hat damit einen Einfluss auf die Organisation der Gewebestruktur. Ein Verständnis der Organisationsprozesse von Geweben hat weitreichende Konsequenzen im Hinblick auf das Verständnis von Heilungsprozessen und der Entwicklung von Organen bis hin zu medizinischen Anwendungen wie der Entwicklung von Implantaten. Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besseres Verständnis wie das kollektive Verhalten von Gewebezellen von der dreidimensionalen Krümmung der Umgebung beeinflusst wird. Die bisherige Forschung war bislang limitiert auf flache Oberflächen oder auf Substrate in denen zumindest eine der beiden Hauptkrümmungen Null ist. In dieser Arbeit wurde daher das Gewebewachstum von MC3T3-E1 Pre-Osteoblasten auf Oberflächen mit konstanter mittlerer Krümmung studiert. Ein wichtiger Teil der Arbeit war die Entwicklung von Substraten mit kontrollierter mittlerer Krümmung und deren Visualisierung in 3D. Es wurde gezeigt, dass sich die Oberflächen- spannung von Polymerlösungen nutzen lässt um eben solche Substrate zu erzeugen. Mit Hilfe dieser Substrate wurde gezeigt, dass die mittlere Krümmung der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate und die Organisation der Gewebestruktur hat. Es konnte nicht nur gezeigt werden dass die Menge an gebildetem Gewebe von der mittleren Krümmung abhängig ist, sondern auch dass die Oberfläche des Gewebes sich dabei wie eine Flüssigkeit verhält und dem Laplace-Young Gesetz folgt. Es wurde beobachtet dass sich mehr Gewebe auf konkaven als auf flachen oder konvexen Oberflächen gebildet hat. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die Wachstumsrate als Funktion der mittleren Krümmung beschreibt und mit Hilfe dessen sich das Gewebewachstum erfolgreich beschreiben lässt. Dieses Modell kann auch die Ergebnisse früherer Arbeiten reproduzieren, in denen Gewebe in prismatischen Poren kultiviert wurden. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der Struktur des Gewebes, welche einen Einfluss auf die späteren mechanischen Eigenschaften des maturierten Knochengewebes hat. Da die extrazelluläre Matrix des Gewebes von den Zellen gebildet wird, hat die Orientierung der Zellen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausrichtung der Gewebefasern. Außerdem wurde vor kurzem gezeigt, dass sich manche Zellen wie Flüssigkristalle anordnen können. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Computermodell aktiver Partikel entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Einfluss des kollektiven Verhaltens der Zellen auf dreidimensional gekrümmten Oberflächen abstrahieren lässt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die dreidimensionale Krümmung einen entscheidenden Einfluss auf die Selbstorganisation dieser Partikel hat und gibt damit erste Einblicke in ein mögliches Organisationsverhalten von Zellen auf 3D Oberflächen. KW - biophysics KW - tissue engineering KW - mechanobiology Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Håkansson, Nils T1 - A Dark Matter line search using 3D-modeling of Cherenkov showers below 10 TeV with VERITAS T1 - Die Suche nach Dunkler Materie mit VERITAS durch Liniensuche und 3D Modellierung von Cherenkov-Schauern unter 10 TeV N2 - Dark matter, DM, has not yet been directly observed, but it has a very solid theoretical basis. There are observations that provide indirect evidence, like galactic rotation curves that show that the galaxies are rotating too fast to keep their constituent parts, and galaxy clusters that bends the light coming from behind-lying galaxies more than expected with respect to the mass that can be calculated from what can be visibly seen. These observations, among many others, can be explained with theories that include DM. The missing piece is to detect something that can exclusively be explained by DM. Direct observation in a particle accelerator is one way and indirect detection using telescopes is another. This thesis is focused on the latter method. The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, V ERITAS, is a telescope array that detects Cherenkov radiation. Theory predicts that DM particles annihilate into, e.g., a γγ pair and create a distinctive energy spectrum when detected by such telescopes, e.i., a monoenergetic line at the same energy as the particle mass. This so called ”smoking-gun” signature is sought with a sliding window line search within the sub-range ∼ 0.3 − 10 TeV of the VERITAS energy range, ∼ 0.01 − 30 TeV. Standard analysis within the VERITAS collaboration uses Hillas analysis and look-up tables, acquired by analysing particle simulations, to calculate the energy of the particle causing the Cherenkov shower. In this thesis, an improved analysis method has been used. Modelling each shower as a 3Dgaussian should increase the energy recreation quality. Five dwarf spheroidal galaxies were chosen as targets with a total of ∼ 224 hours of data. The targets were analysed individually and stacked. Particle simulations were based on two simulation packages, CARE and GrISU. Improvements have been made to the energy resolution and bias correction, up to a few percent each, in comparison to standard analysis. Nevertheless, no line with a relevant significance has been detected. The most promising line is at an energy of ∼ 422 GeV with an upper limit cross section of 8.10 · 10^−24 cm^3 s^−1 and a significance of ∼ 2.73 σ, before trials correction and ∼ 1.56 σ after. Upper limit cross sections have also been calculated for the γγ annihilation process and four other outcomes. The limits are in line with current limits using other methods, from ∼ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1. Future larger telescope arrays, like the upcoming Cherenkov Telescope Array, CTA, will provide better results with the help of this analysis method. N2 - Dunkle Materie, DM, wurde noch nicht direkt beobachtet, aber die Theorie ist sehr solide. Es gibt Beobachtungen, die als indirekte Beweise gelten, z.B. galaktische Rotationskurven, die besagen, dass Galaxien zu schnell rotieren um ohne eine zusätzliche Massenkomponente zusammenhalten zu können, oder elliptische Zwerggalaxien, die massereicher sind als die sichtbare Materie vermuten lässt. Diese Beobachtungen könnten z.B. mit dem Vorhandensein von DM erkärt werden, aber bis jetzt fehlt die Beobachtung eines Phänomens, das ausschließlich durch DM erklärt werden kann. Eine Möglichkeit wäre die Beobachtung einer speziellen Energiesignatur durch Teleskope, welche das Thema der vorliegenden Arbeit ist. Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, VERITAS, ist ein Teleskoparray für Cherenkov-Strahlung. Entsprechend der Theorie sollten Teilchen dunkler Materie annihilieren und z.B. ein γγ Paar bilden. Dieses sollte im Teleskop eine spezielle Energiesignatur hinterlassen, nämlich eine monoenergetische Linie bei einer Energie, die der Teilchenmasse entspricht. Diese ”smoking-gun” Signatur wird mit einer sliding window Liniensuche bei Energien < 10TeV gesucht. In der VERITAS Kollaboration werden standardm¨aßig eine Hillas-Analyse und Nachschlagetabellen aus Teilchensimulationen verwendet, um die Energie des Teilchens zu berechnen, das den Cherenkov-Schauer verursacht hat. Hier wird eine verbesserte Analysemethode verwendet. Dabei wird jeder Schauer als 3D-Gaußkurve modelliert, was die Qualität der Energierekonstruktion erheblich verbessern sollte. Dafur wurden funf elliptische Zwerggalaxien beobachtet und einzeln sowie insgesamt analysiert, insgesamt ~ 224 h Beobachtungszeit. Dabei werden zwei verschiedene Teilchensimulationsprogramme verwendet, CARE und GrISU. In dieser Arbeit wurde die Energieauflösung und die Bias-Korrektur um einige Prozent gegen¨uber der Standardanalyse verbessert. Es wurde jedoch keine signifikante Linie detektiert. Die vielversprechendste Linie befindet sich bei einer Energie von ~ 422GeV und hat einen Querschnitt von 8.10·10^−24 cm^3 s^−1 und ein Signifikanzlevel von ~ 2.73 σ bzw. 1.56σ vor bzw. nach statistischer Korrektur. Außerdem wurden obere Grenzwerte fur verschiedene Annihilierungsprozesse berechnet. Sie stimmen mit anderen aktuellen Grenzwerten überein (~ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1). Zukünftig werden mehr Beobachtungsdaten und neue Teleskoparrays, wie das Cherenkov Telescope Array, CTA, mit Hilfe dieser Analysemethode bessere Ergebnisse ermöglichen. KW - Dark Matter KW - line search KW - VERITAS KW - 3D-modeling KW - Cherenkov showers KW - Dunkler Materie KW - Line Suche KW - VERITAS KW - 3D Modellierung KW - Cherenkov-Schauern Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397670 ER - TY - THES A1 - Beyhl, Thomas T1 - A framework for incremental view graph maintenance T1 - Ein Framework für die inkrementelle Wartung von Sichten auf Graphen N2 - Nowadays, graph data models are employed, when relationships between entities have to be stored and are in the scope of queries. For each entity, this graph data model locally stores relationships to adjacent entities. Users employ graph queries to query and modify these entities and relationships. These graph queries employ graph patterns to lookup all subgraphs in the graph data that satisfy certain graph structures. These subgraphs are called graph pattern matches. However, this graph pattern matching is NP-complete for subgraph isomorphism. Thus, graph queries can suffer a long response time, when the number of entities and relationships in the graph data or the graph patterns increases. One possibility to improve the graph query performance is to employ graph views that keep ready graph pattern matches for complex graph queries for later retrieval. However, these graph views must be maintained by means of an incremental graph pattern matching to keep them consistent with the graph data from which they are derived, when the graph data changes. This maintenance adds subgraphs that satisfy a graph pattern to the graph views and removes subgraphs that do not satisfy a graph pattern anymore from the graph views. Current approaches for incremental graph pattern matching employ Rete networks. Rete networks are discrimination networks that enumerate and maintain all graph pattern matches of certain graph queries by employing a network of condition tests, which implement partial graph patterns that together constitute the overall graph query. Each condition test stores all subgraphs that satisfy the partial graph pattern. Thus, Rete networks suffer high memory consumptions, because they store a large number of partial graph pattern matches. But, especially these partial graph pattern matches enable Rete networks to update the stored graph pattern matches efficiently, because the network maintenance exploits the already stored partial graph pattern matches to find new graph pattern matches. However, other kinds of discrimination networks exist that can perform better in time and space than Rete networks. Currently, these other kinds of networks are not used for incremental graph pattern matching. This thesis employs generalized discrimination networks for incremental graph pattern matching. These discrimination networks permit a generalized network structure of condition tests to enable users to steer the trade-off between memory consumption and execution time for the incremental graph pattern matching. For that purpose, this thesis contributes a modeling language for the effective definition of generalized discrimination networks. Furthermore, this thesis contributes an efficient and scalable incremental maintenance algorithm, which updates the (partial) graph pattern matches that are stored by each condition test. Moreover, this thesis provides a modeling evaluation, which shows that the proposed modeling language enables the effective modeling of generalized discrimination networks. Furthermore, this thesis provides a performance evaluation, which shows that a) the incremental maintenance algorithm scales, when the graph data becomes large, and b) the generalized discrimination network structures can outperform Rete network structures in time and space at the same time for incremental graph pattern matching. N2 - Heutzutage werden Graphdatenmodelle verwendet um Beziehungen zwischen Entitäten zu speichern und diese Beziehungen später abzufragen. Jede Entität im Graphdatenmodell speichert lokal die Beziehungen zu anderen verknüpften Entitäten. Benutzer stellen Suchanfragen um diese Entitäten und Beziehungen abzufragen und zu modifizieren. Dafür machen Suchanfragen Gebrauch von Graphmustern um alle Teilgraphen in den Graphdaten zu finden, die über bestimmte Graphstrukturen verfügen. Diese Teilgraphen werden Graphmusterübereinstimmung (Match) genannt. Allerdings ist diese Suche nach Matches NP-vollständig für Teilgraphisomorphie. Daher können Suchanfragen einer langen Antwortzeit unterliegen, wenn die Anzahl von Entitäten und Beziehungen in den Graphdaten oder -mustern ansteigt. Eine Möglichkeit die Antwortzeiten von Suchanfragen zu verbessern ist Matches für komplexe Suchanfragen in sogenannten Sichten über die Graphdaten für spätere Suchanfragen bereitzuhalten. Allerdings müssen diese Sichten mittels einer inkrementellen Suche nach Matches gewartete werden um sie konsistent zu den sich ändernden Graphdaten zu halten. Diese Wartung ergänzt Teilgraphen, die Graphmuster erfüllen, in den Sichten und entfernt Teilgraphen, die Graphmuster nicht mehr erfüllen, aus den Sichten. Aktuelle Ansätze für die inkrementelle Suche nach Matches verwenden Rete Netzwerke. Rete Netzwerke sind sogenannte Discrimination Networks, die alle Matches für bestimmte Suchanfragen aufzählen und warten, indem sie ein Netzwerk aus einzelnen Teilgraphmustern anwenden, die zusammen eine vollständige Suchanfrage ergeben. Das Netzwerk speichert für jedes Teilgraphmuster welche Teilgraphen das Teilgraphmuster erfüllen. Daher haben Rete Netzwerke einen hohen Speicherverbrauch, da sie alle Zwischenergebnisse speichern müssen. Jedoch sind es gerade diese gespeicherten Zwischenergebnisse, die es dem Rete Netzwerk ermöglichen die gespeicherten Zwischenergebnisse effizient zu warten, da diese Zwischenergebnisse für das Auffinden neuer Matches ausgenutzt werden. Allerdings existieren andere Arten von Discrimination Networks, die hinsichtlich Speicher- und Zeitverbrauch effizienter sind, aber derzeit nicht für die inkrementelle Suche nach Matches verwendet werden. Diese Doktorarbeit wendet eine verallgemeinerte Art von Discrimination Networks an. Diese verallgemeinerte Art ermöglicht es die Balance zwischen Speicher- und Zeitverbrauch für die inkrementelle Suche nach Matches zu steuern. Dafür stellt diese Arbeit eine Modellierungssprache vor, die es ermöglicht verallgemeinerte Arten von Discrimination Networks effektiv zu spezifizieren. Darauf aufbauend stellt diese Arbeit einen inkrementellen Algorithmus vor, der die gespeicherten Matches effizient und skalierbar wartet. Abschließend stellt diese Arbeit eine Evaluierung vor, die aufzeigt dass die Modellierungssprache eine effektive Spezifikation von verallgemeinerten Discrimination Networks erlaubt. Außerdem zeigt die Evaluierung, dass a) der inkrementelle Wartungsalgorithmus für große Graphdaten skaliert und b) die Netzwerkstrukturen von verallgemeinerten Discrimination Networks im Vergleich zu den Netzwerkstrukturen von Rete Netzwerken im Speicher- und Zeitverbrauch für die inkrementelle Suche nach Matches effizienter sein können. KW - incremental graph pattern matching KW - discrimination networks KW - Rete networks KW - Gator networks KW - model-driven software engineering KW - inkrementelle Graphmustersuche KW - Discrimination Networks KW - Rete Netzwerk KW - Gator Netzwerk KW - modellgetriebene Softwareentwicklung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-405929 ER - TY - THES A1 - Reike, Dennis T1 - A look behind perceptual performance in numerical cognition T1 - Ein Blick hinter die perzeptuellen Leistungen numerischer Kognition N2 - Recognizing, understanding, and responding to quantities are considerable skills for human beings. We can easily communicate quantities, and we are extremely efficient in adapting our behavior to numerical related tasks. One usual task is to compare quantities. We also use symbols like digits in numerical-related tasks. To solve tasks including digits, we must to rely on our previously learned internal number representations. This thesis elaborates on the process of number comparison with the use of noisy mental representations of numbers, the interaction of number and size representations and how we use mental number representations strategically. For this, three studies were carried out. In the first study, participants had to decide which of two presented digits was numerically larger. They had to respond with a saccade in the direction of the anticipated answer. Using only a small set of meaningfully interpretable parameters, a variant of random walk models is described that accounts for response time, error rate, and variance of response time for the full matrix of 72 digit pairs. In addition, the used random walk model predicts a numerical distance effect even for error response times and this effect clearly occurs in the observed data. In relation to corresponding correct answers error responses were systematically faster. However, different from standard assumptions often made in random walk models, this account required that the distributions of step sizes of the induced random walks be asymmetric to account for this asymmetry between correct and incorrect responses. Furthermore, the presented model provides a well-defined framework to investigate the nature and scale (e.g., linear vs. logarithmic) of the mapping of numerical magnitude onto its internal representation. In comparison of the fits of proposed models with linear and logarithmic mapping, the logarithmic mapping is suggested to be prioritized. Finally, we discuss how our findings can help interpret complex findings (e.g., conflicting speed vs. accuracy trends) in applied studies that use number comparison as a well-established diagnostic tool. Furthermore, a novel oculomotoric effect is reported, namely the saccadic overschoot effect. The participants responded by saccadic eye movements and the amplitude of these saccadic responses decreases with numerical distance. For the second study, an experimental design was developed that allows us to apply the signal detection theory to a task where participants had to decide whether a presented digit was physically smaller or larger. A remaining question is, whether the benefit in (numerical magnitude – physical size) congruent conditions is related to a better perception than in incongruent conditions. Alternatively, the number-size congruency effect is mediated by response biases due to numbers magnitude. The signal detection theory is a perfect tool to distinguish between these two alternatives. It describes two parameters, namely sensitivity and response bias. Changes in the sensitivity are related to the actual task performance due to real differences in perception processes whereas changes in the response bias simply reflect strategic implications as a stronger preparation (activation) of an anticipated answer. Our results clearly demonstrate that the number-size congruency effect cannot be reduced to mere response bias effects, and that genuine sensitivity gains for congruent number-size pairings contribute to the number-size congruency effect. Third, participants had to perform a SNARC task – deciding whether a presented digit was odd or even. Local transition probability of irrelevant attributes (magnitude) was varied while local transition probability of relevant attributes (parity) and global probability occurrence of each stimulus were kept constantly. Participants were quite sensitive in recognizing the underlying local transition probability of irrelevant attributes. A gain in performance was observed for actual repetitions of the irrelevant attribute in relation to changes of the irrelevant attribute in high repetition conditions compared to low repetition conditions. One interpretation of these findings is that information about the irrelevant attribute (magnitude) in the previous trial is used as an informative precue, so that participants can prepare early processing stages in the current trial, with the corresponding benefits and costs typical of standard cueing studies. Finally, the results reported in this thesis are discussed in relation to recent studies in numerical cognition. N2 - Das Erkennen, Verstehen und Verwenden von Mengen sind beachtliche menschliche Fähigkeiten. Die Kommunikation numerischer Information fällt uns leicht, zudem beeinflussen numerische Informationen unser Handeln. Eine typische numerische Aufgabe ist der Mengenvergleich. Um solche Mengen zu beschreiben verwenden wir Ziffern als Symbole zur Bildung von Zahlen. Um Zahlen zu vergleichen, müssen wir auf die zuvor erlernte interne Zahlenrepräsentationen zurückgreifen. In dieser Dissertation werden drei Studien vorgestellt. Diese betrachten den Prozess des Zahlenvergleichs, die Interaktion numerischer und physikalischer Repräsentation und die strategische Nutzung numerischer Repräsentationen. In der ersten Studie sollten Versuchspersonen so schnell wie möglich die größere von zwei präsentierten Zahlen angeben. Sie sollten mit einer Sakkade in Richtung der größeren Zahl antworten. Eine Variante von Random Walk Modellen mit einem sparsamen Set an interpretierbaren Parameter wurde verwendet um die Reaktionszeit, die Fehlerrate und die Varianz der Reaktionszeit zu beschreiben. Auch für Fehlerzeiten sagt dieses Modell einen numerischen Distanzeffekt vorher, der sich in den Daten robust zeigt. Außerdem sind Fehlerzeiten schneller als korrespondierende Reaktionszeiten richtiger Antworten. Diese Asymmetrie lässt sich durch eine schiefe Schrittgrößenverteilung erklären, welche nicht zu den üblichen Standardannahmen von Random Walk Modellen gehört. Das vorgestellte Modell liefert einen definierten Rahmen um die Art und Skalierung (z.B. linear vs. logarithmisch) numerischer Repräsentationen zu untersuchen, wobei die Ergebnisse klar für eine logarithmische Skalierung sprechen. Abschließend wird ein Ausblick gegeben, wie dieses Modell helfen kann, komplexe Befunde (z.B. Geschwindigkeit vs. Genauigkeit) in Studien zu erklären, die Zahlenvergleiche als etabliertes Werkzeug verwenden. Außerdem beschreiben wir einen neuen okulomotorischen Effekt, den sakkadischen Overschoot Effekt. Für die zweite Studie wurde ein experimentelles Design entwickelt, das es ermöglicht die Signalentdeckungstheorie zu verwenden. Hierbei sollten Versuchspersonen die physikalische Größe von Ziffern beurteilen. Eine offene Frage ist, ob der Leistungsgewinn in (numerisch - physikalisch) kongruenten Bedingungen auf eine verbesserte Wahrnehmung oder auf einen numerisch induzierten Antwortbias zurückzuführen ist. Die Signalentdeckungstheorie ist das perfekte Werkzeug um zwischen diesen beiden Erklärungen zu unterscheiden. Dabei werden zwei Parameter beschrieben, die Sensitivität und der Antwortbias. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass der Zahlen-Größen Effekt nicht auf einen einfachen Antwortbias zurückzuführen ist. Vielmehr tragen wahre Sensitivitätsgewinne in kongruenten Bedingungen zur Entstehung des Zahlen-Größen Effekts bei. In der dritten Studie sollten die Versuchspersonen eine SNARC Aufgabe durchführen, wobei sie angeben sollten ob eine präsentierte Zahl gerade oder ungerade ist. Die lokale Wiederholungswahrscheinlichkeit des irrelevanten Attributes (Magnitude) wurde zwischen Versuchspersonen variiert. Die Versuchspersonen waren sensitiv für diese Wiederholungswahrscheinlichkeiten. Ein Leistungsgewinn zeigte sich bei tatsächlichen Wiederholungen des irrelevanten Attributes in der Bedingung mit hoher Wiederholungswahrscheinlichkeit des irrelevanten Attributes. Eine mögliche Interpretation ist, dass Informationen aus dem Vortrial als eine Art Hinweis betrachtet werden, so dass die Versuchspersonen im aktuellen Trial frühe Prozessstufen vorbereiten können, was zu entsprechenden Gewinnen und Kosten führt. Die in dieser Dissertation berichteten Ergebnisse werden abschließend diskutiert und in Relation zu aktuellen Studien im Bereich der numerischen Kognition gesetzt. KW - numerical cognition KW - mental number representation KW - numerische Kognition KW - mentale Zahlenrepräsentation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407821 ER - TY - THES A1 - Horn, Juliane T1 - A modelling framework for exploration of a multidimensional factor causing decline in honeybee health BT - towards a better understanding how forage availability in agricultural landscapes affects honeybee colony persistence Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Lin, Huijuan T1 - Acceleration and Amplification of Biomimetric Actuation BT - the Empty Pore Matters Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Martin, Thorsten T1 - Advances in spatial econometrics and the political economy of local housing supply T1 - Anwendungen in der Regionalökonometrie und die politische Ökonomie der lokalen Wohnraumversorgung BT - essays in regional and political economics BT - Aufsätze der Regionalökonomie und der politischen Ökonomie N2 - This cumulative dissertation consists of five chapters. In terms of research content, my thesis can be divided into two parts. Part one examines local interactions and spillover effects between small regional governments using spatial econometric methods. The second part focuses on patterns within municipalities and inspects which institutions of citizen participation, elections and local petitions, influence local housing policies. N2 - Diese kumulative Dissertation besteht aus fünf Kapiteln und kann inhaltlich zweigeteilt betrachtet werden. Im ersten Teil werden lokale Interaktionen und Übertragungseffekte zwischen kleinen regionalen Verwaltungseinheiten unter Verwendung von regionalökonometrischer Methoden untersucht. Der zweite Teil untersucht Zusammenhänge innerhalb von Gemeinden und untersucht welche Instrumentarien lokaler Politikbeteiligung, Kommunalwahlen und lokale Bürgerbegehren, einen Einfluss auf die örtliche Wohnungspolitik haben. KW - spatial econometrics KW - political economics KW - regional economics KW - public economics KW - Regionalökonometrie KW - politische Ökonomie KW - Regionalökonomie KW - Finanzwissenschaften Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406836 ER - TY - THES A1 - Graja, Antonia T1 - Aging-related changes of progenitor cell function and microenvironment impair brown adipose tissue regeneration Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Wambura, Frank Joseph T1 - Analysis of anthropogenic impacts on water resources in the Wami River basin, Tanzania Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Diez Cocero, Mercedes T1 - Analysis of Rubisco - carbonic anhydrase fusions in tobacco as an approach to reduce photorespiration Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Diez Cocero, Mercedes T1 - Analysis of Rubisco – carbonic anhydrase fusions in tobacco as an approach to reduce photorespiration N2 - Rubisco catalyses the first step of CO2 assimilation into plant biomass. Despite its crucial role, it is notorious for its low catalytic rate and its tendency to fix O2 instead of CO2, giving rise to a toxic product that needs to be recycled in a process known as photorespiration. Since almost all our food supply relies on Rubisco, even small improvements in its specificity for CO2 could lead to an improvement of photosynthesis and ultimately, crop yield. In this work, we attempted to improve photosynthesis by decreasing photorespiration with an artificial CCM based on a fusion between Rubisco and a carbonic anhydrase (CA). A preliminary set of plants contained fusions between one of two CAs, bCA1 and CAH3, and the N- or C-terminus of RbcL connected by a small flexible linker of 5 amino acids. Subsequently, further fusion proteins were created between RbcL C-terminus and bCA1/CAH3 with linkers of 14, 23, 32, and 41 amino acids. The transplastomic tobacco plants carrying fusions with bCA1 were able to grow autotrophically even with the shortest linkers, albeit at a low rate, and accumulated very low levels of the fusion protein. On the other hand, plants carrying fusions with CAH3 were autotrophic only with the longer linkers. The longest linker permitted nearly wild-type like growth of the plants carrying fusions with CAH3 and increased the levels of fusion protein, but also of smaller degradation products. The fusion of catalytically inactive CAs to RbcL did not cause a different phenotype from the fusions with catalytically active CAs, suggesting that the selected CAs were not active in the fusion with RbcL or their activity did not have an effect on CO2 assimilation. However, fusions to RbcL did not abolish RbcL catalytic activity, as shown by the autotrophic growth, gas exchange and in vitro activity measurements. Furthermore, Rubisco carboxylation rate and specificity for CO2 was not altered in some of the fusion proteins, suggesting that despite the defect in RbcL folding or assembly caused by the fusions, the addition of 60-150 amino acids to RbcL does not affect its catalytic properties. On the contrary, most growth defects of the plants carrying RbcL-CA fusions are related to their reduced Rubisco content, likely caused by impaired RbcL folding or assembly. Finally, we found that fusions with RbcL C-terminus were better tolerated than with the N-terminus, and increasing the length of the linker relieved the growth impairment imposed by the fusion to RbcL. Together, the results of this work constitute considerable relevant findings for future Rubisco engineering. N2 - Rubisco katalysiert den ersten Schritt der CO2-Assimilierung. Trotz seiner bedeutenden Rolle, zeichnet sich Rubisco durch eine niedrige katalytische Geschwindigkeit aus. Außerdem, entsteht bei der Bindung von O2 anstatt CO2 ein toxisches Zwischenprodukt, welches in einem Prozess, genannt Photorespiration, aufbereitet wird. Da fast die gesamte Nahrungsmittelversorgung auf der Aktivität von Rubisco basiert, könnten schon kleine Verbesserungen in der Spezifität für CO2 zu einem großen Effekt in der Photosysntheserate und letztendlich größeren Ernteerträgen führen. In dieser Arbeit wurde versucht die Effizienz der Photosynthese zu verbessern, indem ein künstlicher CO2 konzentrierender Mechanismus aus einer Fusion von RbcL und einer Carboanhydrase (CA) gebildet wird. Als Vorversuch wurden je bCA1 und CAH3 an Rubiscos C- beziehungsweise N-Terminus mittels eines kleinen, flexiblen Linkers aus 5 Aminosäuren fusioniert. Anschließend wurden weitere Fusionsproteine zwischen dem C-Terminus von RbcL und bCA1/CAH3 mittels Linkern von 14, 23, 32 und 41 Aminosäuren Länge in Chloroplasten von Tabak eingebracht. Die entstandenen transplastomischen Pflanzen mit bCA1-Fusionen waren trotz ihres sehr langsamen Wachstums dazu fähig schon bei kurzen Linkern autotroph zu wachsen und geringe Mengen an Fusionsproteinen zu akkumulieren. Pflanzen mit CAH3 Fusionsproteinen hingegen waren nur mit längeren Linkern autotroph, zeigten aber dafür ähnliche Wachstumsraten zum Wildtyp bei Nutzung des längsten Linkers. Außerdem enthielten diese Pflanzen größere Mengen an Fusionsproteinen aber auch eine erhöhte Anreicherung von kleineren Abbauprodukten. Bei den in dieser Arbeit gewählten CA als Fusionsprotein mit RbcL konnte im Vergleich mit katalytisch inaktiven Varianten kein Effekt auf die CO2-Assimilierung gefunden werden. Wie das autotroph Wachstum sowie die Gaswechsel- und in-vitro-Aktivitätsmessungen zeigen, haben die Fusionen allerdings nicht die katalytische Aktivität von Rubisco blockiert. Ebenso verhielt sich die Carboxylierungsrate von Rubisco und deren Spezifität für CO2 unverändert. Dies weist darauf hin, dass trotz Rubiscos Faltungs- oder Assemblierungsdefekten das Anfügen von 60-150 Aminosäure an den C-Terminus von RbcL nicht die katalytische Leistung des Enzyms beeinträchtigt. Im Gegenteil, die Wachstumsdefekte waren durch die geringe Menge an Rubisco begründet, vermutlich verursacht durch Defekte in der Faltung oder Assemblierung von RbcL. Schlussendlich konnten wichtige Erkenntnisse für zukünftige gentechnische Veränderungen von Rubisco gemacht werden: Fusionen mit dem C-Terminus von RbcL wurden besser toleriert als mit dem N-Terminus und längere Linker verringerten die von der Fusion ausgelösten Wachstumsdefekte. KW - Rubisco KW - fusion Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Bajdzienko, Krzysztof T1 - Analysis of Target of Rapamycin (Tor) induced changes of the Arabidopsis thaliana proteome using sub-cellular resolution Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Ussath, Martin Georg T1 - Analytical approaches for advanced attacks Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Silke Regina T1 - Analyzing lakes in the time frequency domain T1 - Analyse von Seen in der Zeit-Frequenz-Domäne N2 - The central aim of this thesis is to demonstrate the benefits of innovative frequency-based methods to better explain the variability observed in lake ecosystems. Freshwater ecosystems may be the most threatened part of the hydrosphere. Lake ecosystems are particularly sensitive to changes in climate and land use because they integrate disturbances across their entire catchment. This makes understanding the dynamics of lake ecosystems an intriguing and important research priority. This thesis adds new findings to the baseline knowledge regarding variability in lake ecosystems. It provides a literature-based, data-driven and methodological framework for the investigation of variability and patterns in environmental parameters in the time frequency domain. Observational data often show considerable variability in the environmental parameters of lake ecosystems. This variability is mostly driven by a plethora of periodic and stochastic processes inside and outside the ecosystems. These run in parallel and may operate at vastly different time scales, ranging from seconds to decades. In measured data, all of these signals are superimposed, and dominant processes may obscure the signals of other processes, particularly when analyzing mean values over long time scales. Dominant signals are often caused by phenomena at long time scales like seasonal cycles, and most of these are well understood in the limnological literature. The variability injected by biological, chemical and physical processes operating at smaller time scales is less well understood. However, variability affects the state and health of lake ecosystems at all time scales. Besides measuring time series at sufficiently high temporal resolution, the investigation of the full spectrum of variability requires innovative methods of analysis. Analyzing observational data in the time frequency domain allows to identify variability at different time scales and facilitates their attribution to specific processes. The merit of this approach is subsequently demonstrated in three case studies. The first study uses a conceptual analysis to demonstrate the importance of time scales for the detection of ecosystem responses to climate change. These responses often occur during critical time windows in the year, may exhibit a time lag and can be driven by the exceedance of thresholds in their drivers. This can only be detected if the temporal resolution of the data is high enough. The second study applies Fast Fourier Transform spectral analysis to two decades of daily water temperature measurements to show how temporal and spatial scales of water temperature variability can serve as an indicator for mixing in a shallow, polymictic lake. The final study uses wavelet coherence as a diagnostic tool for limnology on a multivariate high-frequency data set recorded between the onset of ice cover and a cyanobacteria summer bloom in the year 2009 in a polymictic lake. Synchronicities among limnological and meteorological time series in narrow frequency bands were used to identify and disentangle prevailing limnological processes. Beyond the novel empirical findings reported in the three case studies, this thesis aims to more generally be of interest to researchers dealing with now increasingly available time series data at high temporal resolution. A set of innovative methods to attribute patterns to processes, their drivers and constraints is provided to help make more efficient use of this kind of data. N2 - See-Ökosysteme sind eine der bedrohtesten Ressourcen der Hydrosphäre. Sie reagieren besonders sensibel auf Veränderungen des Klimas und auf Einflüsse durch Landnutzung, da verschiedene Prozesse im gesamten Einzugsgebiet auf sie einwirken. Daher ist es von besonderer Dringlichkeit, die verschiedenen Prozess-Dynamiken in See-Ökosystemen besser zu verstehen. Die hier vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, das bestehende Wissen bezüglich der verschiedenen einwirkenden Prozesse in See-Ökosystemen zu erweitern. Die Arbeit stellt ein Forschungsdesign zur Diskussion, das eine Literatur-basierte und auf empirischen Erhebungen beruhende Analyse von Variabilität und Mustern in großen Datensätzen verschiedener Umweltparameter im Zeit-Frequenz-Raum ermöglicht. Umweltparameter sind häufig charakterisiert durch eine hohe zeitliche Dynamik. Diese Variabilität steht im Zentrum dieser Arbeit. Sie wird durch eine Fülle an periodischen und stochastischen Prozessen innerhalb und außerhalb des Ökosystems getrieben. Diese Prozesse können gleichzeitig und auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen, von Sekunden bis hin zu Dekaden, ablaufen. In Messdaten überlagern sich alle diese Signale, und dominante Prozesse können die Signale anderer Prozesse verschleiern, insbesondere wenn Mittelwerte über längere Zeiträume analysiert werden. Dominante Signale werden oft durch Prozesse auf längeren Zeitskalen verursacht, wie z. B. saisonale Zyklen. Diese sind im Allgemeinen in der limnologischen Literatur gut dokumentiert. See-Ökosysteme werden allerdings von Prozessen auf allen Zeitskalen beeinflusst. Insbesondere biologische, chemische und physikalische Prozesse operieren in kürzeren Zeitrahmen. Die Variabilität, die über solche Prozesse in See-Ökosysteme eingebracht wird, ist bisher weit weniger gut erforscht. Neben der Notwendigkeit, Umweltparameter in hoher zeitlicher Auflösung zu messen, erfordert die Untersuchung der kompletten Bandbreite an Variabilität innovative Analysemethoden. Die Berücksichtigung der Zeit-Frequenz-Domäne kann dabei helfen, Dynamiken auf verschiedenen Zeitskalen zu identifizieren und daraus bestimmte Prozesse abzuleiten. Diese Arbeit zeigt die Vorzüge dieser Herangehensweise anhand von drei Fallstudien auf. Die erste Studie zeigt die Bedeutung von Zeitskalen für die Erfassung von Ökosystem-Reaktionen auf klimatische Veränderungen. Diese ereignen sich oft während kritischer Zeitfenster im Jahresverlauf und können durch die Überschreitung von Schwellenwerten in den treibenden Variablen, unter Umständen zeitlich verzögert, verursacht sein. Solche Zusammenhänge können nur erfasst werden, wenn die zeitliche Auflösung der Daten hoch genug ist. In der zweiten Studie wird die Spektralanalyse, basierend auf der Fast Fourier Transformation, auf einen Datensatz täglicher Messungen der Wassertemperatur über zwanzig Jahre hinweg angewendet. Es wird gezeigt, wie zeitliche und räumliche Skalen der Variabilität der Wassertemperatur als Indikator für Mischprozesse in einem polymiktischen See dienen können. In der dritten Studie wird die Wavelet Coherence als Diagnose-Werkzeug für einen multivariaten, hochfrequenten Datensatz genutzt. Dieser wurde zwischen dem Einsetzen einer Eisbedeckung und einer Sommerblüte von Cyanobakteriern in einem polymiktischen See im Jahr 2009 erhoben. Synchronizitäten zwischen limnologischen und meteorologischen Zeitreihen in schmalen Frequenz-Bändern wurden genutzt, um vorherrschende limnologische Prozesse zu identifizieren und analytisch zu trennen. Neben den neuen empirischen Erkenntnissen, die in den drei Fallstudien präsentiert werden, zielt diese Doktorarbeit darauf ab, Forscher*innen, Behörden und politischen Entscheidungsträger*innen eine Grundlage zu liefern, die hohe zeitliche Auflösung der heute vielfach verfügbaren Monitoring-Datensätze effizienter zu nutzen. Innovative Methoden sollen dabei helfen, Muster in den Daten Prozessen zuzuordnen und die entsprechenden Treiber und Limitationen zu identifizieren. KW - variability KW - time scale KW - wavelet KW - coherence KW - spectral analysis KW - time series analysis KW - polymictic lakes KW - process identification KW - Variabilität KW - Zeitskala KW - Spektralanalyse KW - Zeitreihenanalyse KW - polymiktische Seen KW - Prozessidentifikation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406955 ER - TY - THES A1 - Paape, Dario L. J. F. T1 - Antecedent complexity effects on ellipsis processing T1 - Einflüsse der Antezedenskomplexität auf die Verarbeitung von Ellipsen N2 - This dissertation explores whether the processing of ellipsis is affected by changes in the complexity of the antecedent, either due to added linguistic material or to the presence of a temporary ambiguity. Murphy (1985) hypothesized that ellipsis is resolved via a string copying procedure when the antecedent is within the same sentence, and that copying longer strings takes more time. Such an account also implies that the antecedent is copied without its structure, which in turn implies that recomputing its syntax and semantics may be necessary at the ellipsis gap. Alternatively, several accounts predict null effects of antecedent complexity, as well as no reparsing. These either involve a structure copying mechanism that is cost-free and whose finishing time is thus independent of the form of the antecedent (Frazier & Clifton, 2001), treat ellipsis as a pointer into content-addressable memory with direct access (Martin & McElree, 2008, 2009), or assume that one structure is ‘shared’ between antecedent and gap (Frazier & Clifton, 2005). In a self-paced reading study on German sluicing, temporarily ambiguous garden-path clauses were used as antecedents, but no evidence of reparsing in the form of a slowdown at the ellipsis site was found. Instead, results suggest that antecedents which had been reanalyzed from an initially incorrect structure were easier to retrieve at the gap. This finding that can be explained within the framework of cue-based retrieval parsing (Lewis & Vasishth, 2005), where additional syntactic operations on a structure yield memory reactivation effects. Two further self-paced reading studies on German bare argument ellipsis and English verb phrase ellipsis investigated if adding linguistic content to the antecedent would increase processing times for the ellipsis, and whether insufficiently demanding comprehension tasks may have been responsible for earlier null results (Frazier & Clifton, 2000; Martin & McElree, 2008). It has also been suggested that increased antecedent complexity should shorten rather than lengthen retrieval times by providing more unique memory features (Hofmeister, 2011). Both experiments failed to yield reliable evidence that antecedent complexity affects ellipsis processing times in either direction, irrespectively of task demands. Finally, two eye-tracking studies probed more deeply into the proposed reactivation-induced speedup found in the first experiment. The first study used three different kinds of French garden-path sentences as antecedents, with two of them failing to yield evidence for reactivation. Moreover, the third sentence type showed evidence suggesting that having failed to assign a structure to the antecedent leads to a slowdown at the ellipsis site, as well as regressions towards the ambiguous part of the sentence. The second eye-tracking study used the same materials as the initial self-paced reading study on German, with results showing a pattern similar to the one originally observed, with some notable differences. Overall, the experimental results are compatible with the view that adding linguistic material to the antecedent has no or very little effect on the ease with which ellipsis is resolved, which is consistent with the predictions of cost-free copying, pointer-based approaches and structure sharing. Additionally, effects of the antecedent’s parsing history on ellipsis processing may be due to reactivation, the availability of multiple representations in memory, or complete failure to retrieve a matching target. N2 - Diese Dissertation untersucht, ob die Verarbeitung elliptischer Strukturen von Veränderungen der Komplexität des Antezedens beeinflusst wird, entweder durch zusätzliches linguistisches Material oder durch die Präsenz einer temporären Ambiguität. Murphy (1985) stellte die Hypothese auf, dass Ellipsen durch das Kopieren von Zeichenketten aufgelöst werden, sofern das Antezedens sich im selben Satz befindet, und dass das Kopieren längerer Zeichenketten mehr Zeit in Anspruch nimmt. Ein solcher Ansatz impliziert auch, dass das Antezedens ohne seine Struktur kopiert wird, was wiederum impliziert, dass seine Struktur und Semantik an der Auslassungsstelle möglicherweise erneut berechnet werden müssen. Alternativ existieren mehrere Ansätze, die Nulleffekte der Antezedenskomplexität sowie keine strukturelle Neuberechnung vorhersagen. Diese Ansätze involvieren entweder einen Mechanismus, der die bestehende Struktur kostenfrei überträgt und dessen Latenz von der Form des Antezedens unabhängig ist (Frazier & Clifton, 2001), behandeln die Ellipse als Verweis in einen inhaltsadressierbaren Gedächtnisspeicher (Martin & McElree, 2008, 2009) oder nehmen an, dass die Struktur des Antezedens mit der Ellipse "geteilt" wird (Frazier & Clifton, 2005). In einer Self-Paced Reading-Studie mit deutschen Sluicing-Strukturen wurden temporär ambige Garden Path-Sätze als Antezedenten verwendet, es konnte aber keine Evidenz für strukturelle Neuberechnung in Form höherer Lesezeiten am Punkt der Ellipse gefunden werden. Stattdessen zeigte sich, dass Antezedenten, deren ursprünglich inkorrekt zugewiesene Strukturen reanalysiert worden waren, am Punkt der Ellipse leichter abzurufen waren. Dieses Resultat kann im Kontext des Cue-Based Retrieval Parsing (Lewis & Vasishth, 2005) erklärt werden, wo zusätzliche syntaktische Operationen auf einer Struktur zur Stärkung der assoziierten Gedächtnisspur führen. Zwei weitere Self-Paced Reading-Studien zu deutschen Bare Argument-Ellipsen und englischen VP-Ellipsen sollten ausloten, ob zusätzliches linguistisches Material im Antezedens zu längeren Verarbeitungszeiten für die Ellipse führen würde und ob zu wenig fordernde Verständnistests der Grund für frühere Nullresultate waren (Frazier & Clifton, 2000; Martin & McElree, 2008). Auch gibt es die Theorie, dass erhöhte Komplexität des Antezedens Abrufzeiten verkürzen und nicht verlangsamen sollte, da mehr einzigartige Gedächtnismerkmale zur Verfügung stehen (Hofmeister, 2011). Beide Experimente lieferten keine Evidenz für einen Einfluss der Antezedenskomplexität auf die Verarbeitungszeit der Ellipse in die eine oder in die andere Richtung, unabhängig von der Aufgabenschwierigkeit. Schließlich wurde in zwei Eyetracking-Studien der in der ersten Studie beschriebene Reaktivierungseffekt genauer betrachtet. Die erste dieser Studien verwendete drei verschiedene Typen von Garden Path-Strukturen im Französischen als Antezedenten, von denen zwei keine Evidenz für Reaktivierung zeigten. Darüber hinaus zeigte die dritte getestete Struktur Evidenz dafür, dass eine Verlangsamung am Punkt der Ellipse sowie Regressionen zum Antezedens auftreten, wenn dem Antezedens anfänglich keine Struktur zugewiesen wurde. Die zweite Eyetracking-Studie verwendete dieselben deutschen Materialen wie die ursprüngliche Self-Paced Reading-Studie, mit größtenteils ähnlichen Resultaten und einigen beachtenswerten Abweichungen. Insgesamt sind die experimentellen Ergebnisse mit der Ansicht kompatibel, dass das Hinzufügen von linguistischen Material zum Antezedens keine oder nur sehr minimale Effekte auf die Verarbeitungszeit der Ellipse hat, was mit den Vorhersagen auf Basis eines kostenfreien Kopiermechanismus, eines inhaltsadressierten Gedächtnisspeichers oder einer "geteilten" Struktur übereinstimmt. Effekte, die sich aus der Verarbeitungsgeschichte des Antezedens ergeben, sind möglicherweise auf Reaktivierung, das Vorhandensein mehrerer Gedächtnisspuren oder ein komplettes Scheitern des Gedächtnisabrufs zurückzuführen. KW - ellipsis KW - antecedent complexity KW - psycholinguistics KW - task demands KW - garden path KW - Ellipse KW - Psycholinguistik KW - Temporäre Ambiguität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411689 ER - TY - THES A1 - Tyree, Susan T1 - Arc expression in the parabrachial nucleus following taste stimulation T1 - Arc-Expression im Nucleus parabrachialis nach Geschmacksstimulation N2 - Researchers have made many approaches to study the complexities of the mammalian taste system; however molecular mechanisms of taste processing in the early structures of the central taste pathway remain unclear. More recently the Arc catFISH (cellular compartment analysis of temporal activity by fluorescent in situ hybridisation) method has been used in our lab to study neural activation following taste stimulation in the first central structure in the taste pathway, the nucleus of the solitary tract. This method uses the immediate early gene Arc as a neural activity marker to identify taste-responsive neurons. Arc plays a critical role in memory formation and is necessary for conditioned taste aversion memory formation. In the nucleus of the solitary tract only bitter taste stimulation resulted in increased Arc expression, however this did not occur following stimulation with tastants of any other taste quality. The primary target for gustatory NTS neurons is the parabrachial nucleus (PbN) and, like Arc, the PbN plays an important role in conditioned taste aversion learning. The aim of this thesis is to investigate Arc expression in the PbN following taste stimulation to elucidate the molecular identity and function of Arc expressing, taste- responsive neurons. Naïve and taste-conditioned mice were stimulated with tastants from each of the five basic taste qualities (sweet, salty, sour, umami, and bitter), with additional bitter compounds included for comparison. The expression patterns of Arc and marker genes were analysed using in situ hybridisation (ISH). The Arc catFISH method was used to observe taste-responsive neurons following each taste stimulation. A double fluorescent in situ hybridisation protocol was then established to investigate possible neuropeptide genes involved in neural responses to taste stimulation. The results showed that bitter taste stimulation induces increased Arc expression in the PbN in naïve mice. This was not true for other taste qualities. In mice conditioned to find an umami tastant aversive, subsequent umami taste stimulation resulted in an increase in Arc expression similar to that seen in bitter-stimulated mice. Taste-responsive Arc expression was denser in the lateral PbN than the medial PbN. In mice that received two temporally separated taste stimulations, each stimulation time-point showed a distinct population of Arc-expressing neurons, with only a small population (10 – 18 %) of neurons responding to both stimulations. This suggests that either each stimulation event activates a different population of neurons, or that Arc is marking something other than simple cellular activation, such as long-term cellular changes that do not occur twice within a 25 minute time frame. Investigation using the newly established double-FISH protocol revealed that, of the bitter-responsive Arc expressing neuron population: 16 % co-expressed calcitonin RNA; 17 % co-expressed glucagon-like peptide 1 receptor RNA; 17 % co-expressed hypocretin receptor 1 RNA; 9 % co-expressed gastrin-releasing peptide RNA; and 20 % co-expressed neurotensin RNA. This co-expression with multiple different neuropeptides suggests that bitter-activated Arc expression mediates multiple neural responses to the taste event, such as taste aversion learning, suppression of food intake, increased heart rate, and involves multiple brain structures such as the lateral hypothalamus, amygdala, bed nucleus of the stria terminalis, and the thalamus. The increase in Arc-expression suggests that bitter taste stimulation, and umami taste stimulation in umami-averse animals, may result in an enhanced state of Arc- dependent synaptic plasticity in the PbN, allowing animals to form taste-relevant memories to these aversive compounds more readily. The results investigating neuropeptide RNA co- expression suggest the amygdala, bed nucleus of the stria terminalis, and thalamus as possible targets for bitter-responsive Arc-expressing PbN neurons. N2 - Trotz vielfältiger experimenteller Ansätze, die Komplexität des Geschmackssystems der Säugetiere zu erforschen, bleiben viele molekulare Mechanismen der Geschmacksverarbeitung in den frühen Strukturen der zentralen Geschmacksbahn unklar. Kürzlich wurde in unserem Labor die Arc catFISH-Methode (cellular compartment analysis of temporal activity by fluorescent in situ hybridisation) angewandt, um die neuronale Aktivierung nach Geschmacksstimulation in der ersten zentralnervösen Struktur der Geschmacksbahn, dem Nucleus tractus solitarii (NTS) zu untersuchen. Diese Methode nutzt das Immediate-early-Gen Arc als neuronalen Aktivitätsmarker, um geschmacksverarbeitende Neurone zu identifizieren. Arc spielt eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung und ist notwendig für die Ausprägung konditionierter Geschmacksaversionen. Im NTS führten nur Bitterstimuli zu einer erhöhten Arc- Expression, jedoch nicht Stimuli der anderen Geschmacksqualitäten. Das primäre Projektionsziel für geschmacksverarbeitende NTS-Neurone ist der Nucleus parabrachialis (PbN). Wie Arc, spielt dieser eine wichtige Rolle bei der Ausbildung konditionierter Geschmacksaversionen. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Expression von Arc im PbN nach Geschmacksstimulation zu untersuchen, um die molekulare Identität der Arc- exprimierenden, geschmacksverarbeitenden Neurone aufzuklären. Naive und konditionierte Mäuse wurden mit Geschmacksstoffen der fünf Geschmacksqualitäten (süß, salzig, sauer, umami und bitter) stimuliert, wobei zum Vergleich mehrere Bitterstoffe verwendet wurden. Die Expression von Arc und ausgewählter Markergene wurde per In- situ-Hybridisierung (ISH) analysiert. Die Arc catFISH-Methode wurde eingesetzt, um geschmacksverarbeitende Neuronen zu untersuchen, die durch den jeweiligen Geschmacksstimulus aktiviert wurden. Ein Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungs-Protokoll (FISH) mit zwei RNA-Sonden wurde etabliert, um den Einfluss von Neuropeptiden in der neuronalen Verarbeitung von Geschmacksinformation zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass in unkonditionierten Mäusen nur Bitterstimuli zu einer erhöhten Arc-Expression im PbN führen, nicht jedoch Stimuli anderer Geschmacksqualitäten. Bei Mäusen, die konditioniert wurden, einen Umami-Stimulus zu vermeiden, führt die nachfolgende Stimulation mit diesem Geschmacksstoff zu einer erhöhten Arc-Expression, die der in bitterstimulierten Mäusen vergleichbar ist. Die geschmacksinduzierte Arc-Expression ist im lateralen PbN stärker konzentriert als im medialen PbN. Bei Mäusen, die im Abstand von 25 min zwei Geschmackstimulationen erhielten, führt jede der Stimulationen zu einer Erregung eigenen Population von Arc- exprimierenden Neuronen. Nur ein geringer Anteil (10 - 18 %) reagiert auf beide Stimuli. Dies deutet darauf hin, dass entweder jeder Stimulationsvorgang eine eigene Neuronenpopulation aktiviert oder dass Arc nicht als einfacher Aktivitätsmarker zu verstehen ist, sondern vielmehr als Marker für längerfristige neuronale Veränderungen, die nicht zweimal innerhalb des 25-minütigen Zeitrahmens des Experiments auftreten. Die Ergebnisse des neu etablierten Doppel-FISH-Protokolls zeigen, dass von den Neuronen mit Arc-Expression nach Bitterstimulation: 16 % Calcitonin-RNA koexprimieren; 17 % Glucagon-like-peptide-1-receptor-RNA koexprimieren; 17 % Hypocretin-receptor-1-RNA koexprimieren; 9 % Gastrin-releasing-peptide-RNA koexprimieren; und 20 % Neurotensin-RNA koexprimieren. Diese Koexpression mit verschiedenen Neuropeptiden deutet darauf hin, dass die bitterinduzierte Arc-Expression an verschiedenen neuralen Prozessen beteiligt ist, die durch Geschmacksstimulation hervorgerufen werden. Darunter sind das Erlernen von Geschmacksaversion, reduzierte Nahrungsaufnahme und gesteigerte Herzfrequenz. Außerdem deutet dies darauf hin, dass an diesen Prozessen mehrere V Hirnstrukturen, wie lateraler Hypothalamus, Amygdala, Nucleus interstitialis striae terminalis und Thalamus beteiligt sind. Die erhöhte Arc-Expression deutet darauf hin, dass Stimulation mit Bitterstoffen und die Stimulation mit einem Umami-Stimulus bei umami vermeidenden Tieren zu einer erhöhten Arc-abhängigen neuronalen Plastizität führt. Dies könnte den Tieren ermöglichen, geschmacksbezogene Erinnerungen bezüglich aversiver Stimuli zu formen. Die Ergebnisse der Koexpression von Arc und Neuropeptiden legen die Amygdala, den Nucleus interstitialis striae terminalis und den Thalamus als mögliche Projektionsziele der Arc- exprimierenden PbN-Neurone nahe. KW - taste processing KW - Geschmackssystems KW - parabrachial nucleus KW - Nucleus parabrachialis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396600 ER - TY - THES A1 - Kellermann, Patric T1 - Assessing natural risks for railway infrastructure and transportation in Austria T1 - Bewertung von Naturrisiken für Eisenbahninfrastruktur und -betrieb in Österreich N2 - Natural hazards can have serious societal and economic impacts. Worldwide, around one third of economic losses due to natural hazards are attributable to floods. The majority of natural hazards are triggered by weather-related extremes such as heavy precipitation, rapid snow melt, or extreme temperatures. Some of them, and in particular floods, are expected to further increase in terms of frequency and/or intensity in the coming decades due to the impacts of climate change. In this context, the European Alps areas are constantly disclosed as being particularly sensitive. In order to enhance the resilience of societies to natural hazards, risk assessments are substantial as they can deliver comprehensive risk information to be used as a basis for effective and sustainable decision-making in natural hazards management. So far, current assessment approaches mostly focus on single societal or economic sectors – e.g. flood damage models largely concentrate on private-sector housing – and other important sectors, such as the transport infrastructure sector, are widely neglected. However, transport infrastructure considerably contributes to economic and societal welfare, e.g. by ensuring mobility of people and goods. In Austria, for example, the national railway network is essential for the European transit of passengers and freights as well as for the development of the complex Alpine topography. Moreover, a number of recent experiences show that railway infrastructure and transportation is highly vulnerable to natural hazards. As a consequence, the Austrian Federal Railways had to cope with economic losses on the scale of several million euros as a result of flooding and other alpine hazards. The motivation of this thesis is to contribute to filling the gap of knowledge about damage to railway infrastructure caused by natural hazards by providing new risk information for actors and stakeholders involved in the risk management of railway transportation. Hence, in order to support the decision-making towards a more effective and sustainable risk management, the following two shortcomings in natural risks research are approached: i) the lack of dedicated models to estimate flood damage to railway infrastructure, and ii) the scarcity of insights into possible climate change impacts on the frequency of extreme weather events with focus on future implications for railway transportation in Austria. With regard to flood impacts to railway infrastructure, the empirically derived damage model Railway Infrastructure Loss (RAIL) proved expedient to reliably estimate both structural flood damage at exposed track sections of the Northern Railway and resulting repair cost. The results show that the RAIL model is capable of identifying flood risk hot spots along the railway network and, thus, facilitates the targeted planning and implementation of (technical) risk reduction measures. However, the findings of this study also show that the development and validation of flood damage models for railway infrastructure is generally constrained by the continuing lack of detailed event and damage data. In order to provide flood risk information on the large scale to support strategic flood risk management, the RAIL model was applied for the Austrian Mur River catchment using three different hydraulic scenarios as input as well as considering an increased risk aversion of the railway operator. Results indicate that the model is able to deliver comprehensive risk information also on the catchment level. It is furthermore demonstrated that the aspect of risk aversion can have marked influence on flood damage estimates for the study area and, hence, should be considered with regard to the development of risk management strategies. Looking at the results of the investigation on future frequencies of extreme weather events jeopardizing railway infrastructure and transportation in Austria, it appears that an increase in intense rainfall events and heat waves has to be expected, whereas heavy snowfall and cold days are likely to decrease. Furthermore, results indicate that frequencies of extremes are rather sensitive to changes of the underlying thresholds. It thus emphasizes the importance to carefully define, validate, and — if needed — to adapt the thresholds that are used to detect and forecast meteorological extremes. For this, continuous and standardized documentation of damaging events and near-misses is a prerequisite. Overall, the findings of the research presented in this thesis agree on the necessity to improve event and damage documentation procedures in order to enable the acquisition of comprehensive and reliable risk information via risk assessments and, thus, support strategic natural hazards management of railway infrastructure and transportation. N2 - Naturgefahren haben zum Teil gravierende Auswirkungen auf die Gesellschaft und die Wirtschaft der betroffenen Region. Weltweit sind etwa ein Drittel der finanziellen Verluste durch Naturereignisse auf Hochwasser zurückzuführen. Die Schäden an Eisenbahninfrastruktur haben dabei oft großen Anteil am Gesamtschaden. Hochwasser und andere Naturgefahren werden häufig durch Extremwetterereignisse, wie etwa Starkniederschläge oder Extremtemperaturen, ausgelöst. Im Zuge des Klimawandels rechnet man für die kommenden Jahrzehnte mit einer Zunahme in der Anzahl bzw. der Schwere einiger Naturereignisse. Mit dem Ziel, die gesellschaftliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Naturereignissen zu erhöhen, setzt man zur Gewinnung von Risikoinformationen auf sogenannte Naturrisikoanalysen. Die gegenwärtige Praxis konzentriert sich dabei meist auf die Analyse für einzelne Wirtschaftssektoren, wie etwa den Immobiliensektor. Der Transportsektor und insbesondere die Eisenbahninfrastruktur werden trotz der tragenden Rollen für die Wirtschaftskraft einer Gesellschaft jedoch weitgehend vernachlässigt. Zahlreiche Naturereignisse der letzten Jahrzehnte zeigten allerdings, dass Eisenbahninfrastruktur generell sehr schadensanfällig gegenüber Naturgefahren ist. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das Management von Naturgefahren für den Schienensektor in Österreich durch die Bereitstellung von neuen Risikoinformationen zu unterstützen. Hierzu wurde zum einen ein neuartiges Schadenmodell zur Schätzung von Hochwasserschäden an Eisenbahninfrastruktur entwickelt. Zum anderen wurde unter Verwendung von regionalen Klimamodellen die klimawandelbedingte Änderung der Häufigkeiten von Extremwetter¬ereignissen in Österreich untersucht und mögliche Auswirkungen auf den Eisenbahnbetrieb abgeleitet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das entwickelte Hochwasserschadenmodell „RAIL“ in der Lage ist, potenzielle Schadenschwerpunkte entlang von Bahnlinien für großräumige Eisenbahnnetze zu identifizieren und damit einen wertvollen Beitrag für die gezielte Planung und Errichtung von technischen Hochwasserschutzmaßnahmen leisten kann. Ferner liefert die Untersuchung der Häufigkeitsentwicklung von Extremwetterereignissen bis zum Jahr 2040 wichtige Einblicke in die zukünftigen Herausforderungen für den Bahnbetrieb im Kontext des Klimawandels. Um aus zukünftigen Naturereignissen lernen zu können und somit ein tieferes Verständnis von Naturgefahrenprozessen und deren Auswirkungen auf Eisenbahninfrastruktur und –betrieb zu erlangen, wird die (Weiter-)Entwicklung und Anwendung von standardisierten Ereignis- und Schadendokumentationsverfahren empfohlen. KW - natural risks KW - damage modeling KW - railway infrastructure KW - Naturrisiken KW - Schadensmodellierung KW - Eisenbahninfrastruktur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103877 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Katja T1 - Assessing, testing, and implementing socio-cultural valuation methods to operationalise ecosystem services in land use management T1 - Berücksichtigung, Überprüfung und Implentierung sozio-kultureller Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von Ökosystemleistungen im Landschaftsmanagement N2 - Ecosystem services (ESs) are defined as the contributions that ecosystems make to human wellbeing and are increasingly being used as an approach to explore the importance of ecosystems for humans through their valuation. Although value plurality has been recognised long before the mainstreaming of ESs research, socio-cultural valuation is still underrepresented in ESs assessments. It is the central goal of this PhD dissertation to explore the ability of socio-cultural valuation methods for the operationalisation of ESs research in land management. To address this, I formulated three research objectives that are briefly outlined below and relate to the three studies conducted during this dissertation. The first objective relates to the assessment of the current role of socio-cultural valuation in ESs research. Human values are central to ESs research yet non-monetary socio-cultural valuation methods have been found underrepresented in the field of ESs science. In regard to the unbalanced consideration of value domains and conceptual uncertainties, I perform a systematic literature review aiming to answer the research question: To what extent have socio-cultural values been addressed in ESs assessments. The second objective aims to test socio-cultural valuation methods of ESs and their relevance for land use preferences by exploring their methodological opportunities and limitations. Socio-cultural valuation methods have only recently become a focus in ESs research and therefore bear various uncertainties in regard to their methodological implications. To overcome these uncertainties, I analysed responses to a visitor survey. The research questions related to the second objective were: What are the implications of different valuation methods for ESs values? To what extent are land use preferences explained by socio-cultural values of ESs? The third objective addressed in this dissertation is the implementation of ESs research into land management through socio-cultural valuation. Though it is emphasised that the ESs approach can assist decision making, there is little empirical evidence of the effect of ESs knowledge on land management. I proposed a way to implement transdisciplinary, spatially explicit research on ESs by answering the following research questions: Which landscape features underpinning ESs supply are considered in land management? How can participatory approaches accounting for ESs be operationalised in land management? The empirical research resulted in five main findings that provide answers to the research questions. First, this dissertation provides evidence that socio-cultural values are an integral part of ESs research. I found that they can be assessed for provisioning, regulating, and cultural services though they are linked to cultural services to a greater degree. Socio-cultural values have been assessed by monetary and non-monetary methods and their assessment is effectively facilitated by stakeholder participation. Second, I found that different methods of socio-cultural valuation revealed different information. Whereas rating revealed a general value of ESs, weighting was found more suitable to identify priorities across ESs. Value intentions likewise differed in the distribution of values, generally implying a higher value for others than for respondents themselves. Third, I showed that ESs values were distributed similarly across groups with differing land use preferences. Thus, I provided empirical evidence that ESs values and landscape values should not be used interchangeably. Fourth, I showed which landscape features important for ESs supply in a Scottish regional park are not sufficiently accounted for in the current management strategy. This knowledge is useful for the identification of priority sites for land management. Finally, I provide an approach to explore how ESs knowledge elicited by participatory mapping can be operationalised in land management. I demonstrate how stakeholder knowledge and values can be used for the identification of ESs hotspots and how these hotspots can be compared to current management priorities. This dissertation helps to bridge current gaps of ESs science by advancing the understanding of the current role of socio-cultural values in ESs research, testing different methods and their relevance for land use preferences, and implementing ESs knowledge into land management. If and to what extent ESs and their values are implemented into ecosystem management is mainly the choice of the management. An advanced understanding of socio-cultural valuation methods contributes to the normative basis of this management, while the proposal for the implementation of ESs in land management presents a practical approach of how to transfer this type of knowledge into practice. The proposed methods for socio-cultural valuation can support guiding land management towards a balanced consideration of ESs and conservation goals. N2 - Das Konzept der Ökosystemleistungen (ÖSL) wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren vermehrt verwendet, um die Beiträge von Ökosystemen zum menschlichen Wohlbefinden zu bewerten. Das Konzept der ÖSL sieht vor, dass dabei viele verschiedene Wertkategorien gleichberechtigt zum Tragen kommen. Dazu gehören etwa ökonomische, ökologische und sozio-kulturelle Werte, die zu integrieren sind. Diesem Anspruch zum Trotz wird jedoch bislang der Bereich der sozio-kulturellen Werte zugunsten monetärer Werte in der Wissenschaft weitgehend vernachlässigt. Zudem müssen Wege gefunden werden, das Wissen über ÖSL und deren Werte in der Landschafts- und Raumplanung umzusetzen und damit praktisch nutzbar zu machen. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung zu untersuchen. Hierfür wurden drei Forschungsschwerpunkte verfolgt. (1) Es wurde untersucht, inwieweit gegenwärtige ÖSL-Bewertungsstudien sozio-kulturelle Werte berücksichtigen. (2) Verschiedene sozio-kulturelle Bewertungsmethoden für ÖSL wurden daraufhin geprüft, inwieweit sie geeignet sind, die Landschaftspräferenzen unterschiedlicher Nutzergruppen offenzulegen und (3) wurde ein Ansatz entwickelt, um die ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu implementieren. (1) Mittels einer Literaturanalyse konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte bei der Bewertung von produktiven, regulierenden und kulturellen ÖSL erhoben werden, wobei ein engerer Zusammenhang zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen ÖSL festgestellt wurde. Zwischen sozio-kulturellen Werten und kulturellen Leistungen konnten einige Überlappungen aber auch zahlreiche Unterschiede aufgezeigt werden, was auf eine Trennung der beiden Bereiche hinweist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich nicht-monetäre Bewertungsmethoden besonders für die Erhebung sozio-kultureller Werte eignen wobei auch monetäre Bewertungsmethoden sozio-kulturelle Werte erfassen, vor allem mittels simulierter Marktansätze (z.B. Zahlungsbereitschaft, Choice Experimente). Die Arbeit zeigte zudem, dass Studien, welche Stakeholder oder die Öffentlichkeit beteiligten, häufiger ebenfalls sozio-kulturelle Werte erhoben. (2) Bei einer Besucherbefragung in einem schottischen Regionalpark führten unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Bewertung von ÖSL auf einer 5-Punkteskala führte zu einer allgemeinen Einschätzung über die Wichtigkeit der verschiedenen ÖSL während eine Gewichtung der Leistungen (Verteilung von insgesamt 100 Punkten auf 9 ÖSL) eine relative Einschätzung über die Wichtigkeit der ÖSL und deren Prioritäten ermöglichte. Verschiedene Werteintentionen lieferten ähnlich unterschiedliche Ergebnisse, wobei persönliche Werte differenzierter und allgemein höher ausfielen als gesellschaftliche Werte. Zudem konnte gezeigt werden, dass sozio-kulturelle Werte für ÖSL ähnlich zwischen fünf Gruppen mit unterschiedlichen Landschaftspräferenzen verteilt waren. Die Arbeit liefert demnach empirische Belege dafür, dass es sich bei ÖSL und Landschaftspräferenzen um zwei Konzepte handelt, die nicht untereinander austauschbar sind. (3) Für die Entwicklung eines Ansatzes zur Implementierung von ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung wurde ein Methodenmix verwendet. Es wurden Ergebnisse eines Stakeholderworkshops verwendet bei dem ÖSL von Stakeholdern kartiert wurden. Mittels dieser Kartierung wurden Landschaftseigenschaften untersucht, die eine besondere Bedeutung für die Bereitstellung der ÖSL haben. Es wurde weiterhin untersucht, inwieweit diese Landschaftseigenschaften im derzeitigen Management Plan priorisiert werden. Die Diskrepanz zwischen Landschaftseigenschaften, die zentral für die Bereitstellung von ÖSL sind, und denen, die derzeit im Management Plan berücksichtigt werden, kann Aufschluss über mögliche Zielkonflikte geben und kann zudem dabei helfen, künftige Planungsprioritäten festzulegen, etwa indem Vorranggebiete für bestimmte ÖSL ausgewiesen werden. Diese Arbeit untersucht die Eignung von sozio-kulturellen Bewertungsmethoden für die Operationalisierung von ÖSL in Landschafts- und Raumplanung. In diesem Zusammenhang liefert die Arbeit neue Erkenntnisse darüber, inwiefern derzeit sozio-kulturellen Werten in ÖSL-Bewertungsstudien berücksichtigt werden. Sie zeigt Möglichkeiten und Grenzen von verschiedenen anerkannten sozio-kulturellen Bewertungsmethoden auf und ermöglicht ein besseres Verständnis über deren Abgrenzung zu Landschaftspräferenzen. Schließlich präsentiert diese Arbeit einen komplexen methodischen Ansatz, um ÖSL-Forschung in die Landschafts- und Raumplanung zu integrieren. KW - non-monetary valuation KW - participatory mapping KW - PPGIS KW - landscape preferences KW - nicht-monetäre Bewertung KW - PPGIS KW - Landschaftspräferenzen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411049 ER - TY - THES A1 - Peldszus, Andreas T1 - Automatic recognition of argumentation structure in short monological texts N2 - The aim of this thesis is to develop approaches to automatically recognise the structure of argumentation in short monological texts. This amounts to identifying the central claim of the text, supporting premises, possible objections, and counter-objections to these objections, and connecting them correspondingly to a structure that adequately describes the argumentation presented in the text. The first step towards such an automatic analysis of the structure of argumentation is to know how to represent it. We systematically review the literature on theories of discourse, as well as on theories of the structure of argumentation against a set of requirements and desiderata, and identify the theory of J. B. Freeman (1991, 2011) as a suitable candidate to represent argumentation structure. Based on this, a scheme is derived that is able to represent complex argumentative structures and can cope with various segmentation issues typically occurring in authentic text. In order to empirically test our scheme for reliability of annotation, we conduct several annotation experiments, the most important of which assesses the agreement in reconstructing argumentation structure. The results show that expert annotators produce very reliable annotations, while the results of non-expert annotators highly depend on their training in and commitment to the task. We then introduce the 'microtext' corpus, a collection of short argumentative texts. We report on the creation, translation, and annotation of it and provide a variety of statistics. It is the first parallel corpus (with a German and English version) annotated with argumentation structure, and -- thanks to the work of our colleagues -- also the first annotated according to multiple theories of (global) discourse structure. The corpus is then used to develop and evaluate approaches to automatically predict argumentation structures in a series of six studies: The first two of them focus on learning local models for different aspects of argumentation structure. In the third study, we develop the main approach proposed in this thesis for predicting globally optimal argumentation structures: the 'evidence graph' model. This model is then systematically compared to other approaches in the fourth study, and achieves state-of-the-art results on the microtext corpus. The remaining two studies aim to demonstrate the versatility and elegance of the proposed approach by predicting argumentation structures of different granularity from text, and finally by using it to translate rhetorical structure representations into argumentation structures. N2 - Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur automatischen Erkennung der Argumentationsstruktur in kurzen, monologischen Texten. Dies umfasst einerseits, die zentrale These des Textes, stützende Prämissen, mögliche Einwände und Widersprüche gegen diese zu identifizieren. Andererseits gilt es, diese Elemente in einer Gesamtstruktur zu verbinden, die die im Text vorgebrachte Argumentation angemessen beschreibt. Hierzu muss zuerst eine geeignete Darstellung der Argumentationsstruktur gefunden werden. Anhand einer Reihe von Anforderungen wird die Literatur zu Theorien der Diskurs- sowie der Argumentationsstruktur systematisch ausgewertet. Die Theorie von J. B. Freeman (1991, 2011) erweist sich hierbei als geeigneter Kandidat zur Repräsentation von Argumentationsstruktur. Darauf aufbauend wird ein Annotationsschema abgeleitet, welches auch komplexe Strukturen klar darstellen und mit verschiedenen, für authentischen Text typischen Segmentierungsproblemen umgehen kann. Um das Schema hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Annotation empirisch zu testen, werden mehrere Annotationsexperimente durchgeführt, von denen das wichtigste die Übereinstimmung bei der Rekonstruktion der Argumentationsstruktur erfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass Fachexperten sehr verlässlich annotieren, während die Ergebnisse von Nicht-Experten in hohem Maße vom Training und ihrem Engagement für die Aufgabe abhängen. Schließlich wird das "microtext"-Korpus vorgestellt, eine Sammlung kurzer argumentativer Texte. Die Erstellung, Übersetzung und Annotation wird beschrieben, die Strukturen statistisch ausgewertet. Es handelt sich um das erste mit Argumentationsstrukturen annotierte Parallelkorpus (in Deutsch und Englisch) und -- dank der Arbeit unserer Kollegen -- auch um das erste, das mit verschiedenartigen Diskursstrukturen annotiert wurde. In einer Reihe von sechs Studien werden dann Methoden zur automatischen Erkennung von Argumentationsstrukturen entwickelt und am Korpus erprobt: Die ersten beiden konzentrieren sich auf das Lernen lokaler Modelle für einzelne Aspekte der Argumentationsstruktur. In der dritten Studie wird der in dieser Dissertation vorgeschlagene Ansatz entwickelt: das "Evidenzgraph"-Modell, mit dem global optimale Argumentationsstrukturen erkannt werden können. Dieses wird dann in der vierten Studie systematisch mit anderen Ansätzen verglichen und erzielt beste Ergebnisse auf dem microtext-Korpus. Die verbleibenden zwei Studien zielen darauf ab, die Vielseitigkeit und Eleganz des Ansatzes zu demonstrieren, z.B. bei der Ableitung von Argumentationsstrukturen unterschiedlicher Granularität oder bei der Übersetzung rhetorischer Strukturen in Argumentationsstrukturen. T2 - Automatische Erkennung der Argumentationsstruktur in kurzen monologischen Texten KW - argumentation KW - argumentation structure KW - discourse structure KW - argument mining KW - argumentation mining KW - argumentation structure parsing KW - discourse parsing KW - annotation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421441 ER - TY - THES A1 - Meier, Tobias T1 - Borehole Breakouts in Transversely Isotropic Posidonia Shale T1 - Bohrlochrandausbrüche in transversal isotropen Posidonienschiefer N2 - Borehole instabilities are frequently encountered when drilling through finely laminated, organic rich shales (Økland and Cook, 1998; Ottesen, 2010; etc.); such instabilities should be avoided to assure a successful exploitation and safe production of the contained unconventional hydrocarbons. Borehole instabilities, such as borehole breakouts or drilling induced tensile fractures, may lead to poor cementing of the borehole annulus, difficulties with recording and interpretation of geophysical logs, low directional control and in the worst case the loss of the well. If these problems are not recognized and expertly remedied, pollution of the groundwater or the emission of gases into the atmosphere can occur since the migration paths of the hydrocarbons in the subsurface are not yet fully understood (e.g., Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). In addition, it is often mentioned that the drilling problems encountered and the resulting downtimes of the wellbore system in finely laminated shales significantly increase drilling costs (Fjaer et al., 2008; Aadnoy and Ong, 2003). In order to understand and reduce the borehole instabilities during drilling in unconventional shales, we investigate stress-induced irregular extensions of the borehole diameter, which are also referred to as borehole breakouts. For this purpose, experiments with different borehole diameters, bedding plane angles and stress boundary conditions were performed on finely laminated Posidonia shales. The Lower Jurassic Posidonia shale is one of the most productive source rocks for conventional reservoirs in Europe and has the greatest potential for unconventional oil and gas in Europe (Littke et al., 2011). In this work, Posidonia shale specimens from the North (PN) and South (PS) German basins were selected and characterized petrophysically and mechanically. The composition of the two shales is dominated by calcite (47-56%) followed by clays (23-28%) and quartz (16-17%). The remaining components are mainly pyrite and organic matter. The porosity of the shales varies considerably and is up to 10% for PS and 1% for PN, which is due to a larger deposition depth of PN. Both shales show marked elasticity and strength anisotropy, which can be attributed to a macroscopic distribution and orientation of soft and hard minerals. Under load the hard minerals form a load-bearing, supporting structure, while the soft minerals compensate the deformation. Therefore, if loaded parallel to the bedding, the Posidonia shale is more brittle than loaded normal to the bedding. The resulting elastic anisotropy, which can be defined by the ratio of the modulus of elasticity parallel and normal to the bedding, is about 50%, while the strength anisotropy (i.e., the ratio of uniaxial compressive strength normal and parallel to the bedding) is up to 66%. Based on the petrophysical characterization of the two rocks, a transverse isotropy (TVI) was derived. In general, PS is softer and weaker than PN, which is due to the stronger compaction of the material due to the higher burial depth. Conventional triaxial borehole breakout experiments on specimens with different borehole diameters showed that, when the diameter of the borehole is increased, the stress required to initiate borehole breakout decreases to a constant value. This value can be expressed as the ratio of the tangential stress and the uniaxial compressive strength of the rock. The ratio increases exponentially with decreasing borehole diameter from about 2.5 for a 10 mm diameter hole to ~ 7 for a 1 mm borehole (increase of initiation stress by 280%) and can be described by a fracture mechanic based criterion. The reduction in borehole diameter is therefore a considerable aspect in reducing the risk of breakouts. New drilling techniques with significantly reduced borehole diameters, such as "fish-bone" holes, are already underway and are currently being tested (e.g., Xing et al., 2012). The observed strength anisotropy and the TVI material behavior are also reflected in the observed breakout processes at the borehole wall. Drill holes normal to the bedding develop breakouts in a plane of isotropy and are not affected by the strength or elasticity anisotropy. The observed breakouts are point-symmetric and form compressive shear failure planes, which can be predicted by a Mohr-Coulomb failure approach. If the shear failure planes intersect, conjugate breakouts can be described as "dog-eared” breakouts. While the initiation of breakouts for wells oriented normal to the stratification has been triggered by random local defects, reduced strengths parallel to bedding planes are the starting point for breakouts for wells parallel to the bedding. In the case of a deflected borehole trajectory, therefore, the observed failure type changes from shear-induced failure surfaces to buckling failure of individual layer packages. In addition, the breakout depths and widths increased, resulting in a stress-induced enlargement of the borehole cross-section and an increased output of rock material into the borehole. With the transition from shear to buckling failure and changing bedding plane angle with respect to the borehole axis, the stress required for inducing wellbore breakouts drops by 65%. These observations under conventional triaxial stress boundary conditions could also be confirmed under true triaxial stress conditions. Here breakouts grew into the rock as a result of buckling failure, too. In this process, the broken layer packs rotate into the pressure-free drill hole and detach themselves from the surrounding rock by tensile cracking. The final breakout shape in Posidonia shale can be described as trapezoidal when the bedding planes are parallel to the greatest horizontal stress and to the borehole axis. In the event that the largest horizontal stress is normal to the stratification, breakouts were formed entirely by shear fractures between the stratification and required higher stresses to initiate similar to breakouts in conventional triaxial experiments with boreholes oriented normal to the bedding. In the content of this work, a fracture mechanics-based failure criterion for conventional triaxial loading conditions in isotropic rocks (Dresen et al., 2010) has been successfully extended to true triaxial loading conditions in the transverse isotropic rock to predict the initiation of borehole breakouts. The criterion was successfully verified on the experiments carried out. The extended failure criterion and the conclusions from the laboratory and numerical work may help to reduce the risk of borehole breakouts in unconventional shales. N2 - Bei Bohrungen in feinlaminierten, organikreichen Schiefern werden häufig Bohrlochinstabilitäten beobachtet (Økland und Cook, 1998; Ottesen, 2010 und weitere), welche für eine sichere und erfolgreiche Erschließung der darin gespeicherten unkonventionellen Kohlenwasserstoffe vermieden werden sollten. Bohrlochinstabilitäten, wie zum Beispiel Bohrlochrandausbrüche oder bohrungsbedingte Zugrisse, führen unter Umständen zu einer schlechten bzw. unzureichenden Zementierung des Ringraum, zu Schwierigkeiten bei der Aufnahme und späteren Interpretation bohrlochgeophysikalischer Messungen sowie zu einer verringerten Kontrolle über die Auslenkung der Bohrung und im schlimmsten Fall zum Verlust der Bohrung. Werden diese Probleme nicht erkannt und fachmännisch behoben, kann es zur Verschmutzung des Grundwassers oder zum Austritt von Gasen in die Atmosphäre kommen, da die Migrationspfade der Kohlenwasserstoffe im Untergrund noch nicht vollständig verstanden sind (z.B. Davies et al., 2014; Zoback et al., 2010). Darüber hinaus wird häufig erwähnt, dass die angetroffenen Bohrprobleme und die daraus entstehenden Ausfallzeiten der Bohrlochanlage in feinlaminierten Schiefern die Bohrkosten erheblich erhöhen (Fjaer et al., 2008; Aadnoy und Ong, 2003). Um die Bohrlochinstabilitäten während des Bohrens in unkonventionellen Speichergesteinen zu verstehen und zu reduzieren, untersuchen wir in dieser Arbeit spannungsbedingte unregelmäßige Erweiterungen des Bohrlochdurchmessers, die auch als Bohrlochrandausbrüche (borehole breakouts) bezeichnet werden. Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern, Schichteinfallswinkeln und Belastungsrandbedingungen an feinlaminierten Posidonienschiefern durchgeführt. Der aus dem Unteren Jura stammende Posidonienschiefer ist eines der produktivsten Muttergesteine für konventionelle Lagerstätten in Europa und besitzt zeitgleich das größte Potential für unkonventionelles Öl und Gas in Europa (Littke et al., 2011). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Posidonienschieferproben aus dem Norddeutschen (PN) und Süddeutschen (PS) Becken ausgewählt und petrophysikalisch sowie mechanisch charakterisiert. Die Zusammensetzung der beiden Schiefer wird dominiert von Kalzit (47-56%) gefolgt von Tonen (23-28%) und Quarz (16-17%). Die verbleibenden Komponenten sind hauptsächlich Pyrit und organische Substanz. Die Porosität des Schiefers schwankt beträchtlich und beträgt bis zu 10% für PS und 1% für PN, was auf eine größere Versenkungstiefe von PN zurückzuführen ist. Beide Schiefer zeigen ausgeprägte Elastizitäts- und Festigkeitsanisotropie, welche einer makroskopischen Verteilung und Orientierung von weichen und harten Mineralen zugeschrieben werden kann. Unter Belastung bilden die harten Minerale eine tragende Struktur, während die weichen Minerale die Verformung kompensieren. Daher verhält sich der Posidonienschiefer bei Belastung parallel zur Schichtfläche spröder als bei einer Belastung normal zur Schichtfläche. Die resultierende elastische Anisotropie, die über das Verhältnis des Elastizitätsmoduls parallel und normal zu Schichtung definiert werden kann, beträgt circa 50%, während die Festigkeitsanisotropie (d.h. das Verhältnis der uniaxialen Druckfestigkeit normal und parallel zur Schichtung) bis zu 66% beträgt. Basierend auf der petrophysikalischen Charakterisierung der beiden Gesteine konnte eine transversale Isotropie (TVI) abgeleitet werden. Im Allgemeinen ist PS weicher und schwächer als PN, was auf der stärkeren Verdichtung des Materials aufgrund der höheren Versenkungstiefe beruht. Konventionelle triaxiale Experimente zur Entstehung von Bohrlochrandausbrüchen an Proben mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern zeigten, dass bei Vergrößerung des Bohrlochdurchmessers die zum Auslösen des Randausbruches erforderliche Spannung gegen einen konstanten Wert absinkt. Dieser kann als Verhältnis der Tangentialspannung und der einachsialen Druckfestigkeit des Gesteins ausgedrückt werden. Das Verhältnis erhöht sich exponentiell mit kleiner werdendem Bohrlochdurchmesser von circa 2,5 für ein 10 mm großes Bohrloch auf ~7 für ein 1 mm großes Bohrloch (Zunahme der Initiierungsspannung um 280%) und kann durch ein bruchmechanisch basiertes Kriterium beschrieben werden. Die Verringerung des Bohrlochdurchmessers stellt daher einen beträchtlichen Aspekt bei der Verringerung des Risikos für Bohrlochausbrüche dar. Neue Bohrtechniken mit deutlich reduzierten Bohrlochdurchmessern wie zum Beispiel „fish-bone“ Bohrungen nehmen dieses Konzept bereits auf und werden derzeit getestet (z. B. Xing et al., 2012). Die beobachtete Festigkeitsanisotropie und das TVI Materialverhalten spiegeln sich auch in den beobachteten Ausbruchsprozessen am Bohrlochrand wider. Bohrlöcher normal zur Schichtung entwickeln Randausbrüche in einer Ebene der Isotropie und werden nicht durch die Festigkeitsoder Elastizitätsanisotropie beeinflusst. Die beobachteten Ausbrüche sind punktsymmetrisch und bilden kompressive Schubversagensebenen, die durch einen Mohr-Coulomb-Versagensansatz vorhergesagt werden können. Falls sich die Schubversagensebenen schneiden, bilden sich konjugierte Ausbrüche die als „hundeohrförmig“ (dog-eared breakout) beschrieben werden können. Während die Initiierung von Randausbrüchen für Bohrlöcher normal zur Schichtung durch zufällige lokale Defekte ausgelöst wurde, sind reduzierte Festigkeiten parallel zur Schichtung der Ausgangspunkt für Bohrlochrandausbrüche für Bohrlöcher parallel zur Schichtung. Im Falle einer abgelenkten Bohrlochtrajektorie ändert sich daher der beobachtete Versagenstyp von schubdominiertem Versagensflächen zu Knickversagen einzelner Schichtpakete. Darüber hinaus nahmen die Ausbruchtiefen und -breiten zu, was zu einer spannungsbedingten Vergrößerung des Bohrlochquerschnitts und einem vermehrten Ausstoß von Gesteinsmaterial in das Bohrloch führte. Zeitgleich sinkt beim Übergang von Schub- zu Knickversagen und sich ändernden Schichteinfallswinkel, die für das Induzieren von Bohrlochrandausbrüchen notwendige Spannung um 65%, deutlich ab. Diese Beobachtungen unter konventionellen triaxialen Belastungsrandbedingungen konnten auch unter echt-triaxialen Belastungsrandbedingungen bestätigt werden. Hier wuchsen die Randausbrüche ebenfalls normal zur Schichtfläche durch Knickfehler in das Gestein. Dabei rotierten die gebrochenen Schichtpakete in das druckfreie Bohrloch und lösten sich vom umgebenden Gestein durch Zugrisse ab. Die endgültige Ausbruchform im Posidonienschiefer kann als trapezförmig beschrieben werden, wenn die Schichtfläche parallel zur größten horizontalen Spannung liegt. In dem Fall, dass die größte horizontale Spannung normal zur Schichtung orientiert ist, wurden Ausbrüche vollständig durch Scherbrüche zwischen den Schichtflächen gebildet und benötigten höhere Spannungen zur Initiierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bruchmechanisch-basiertes Versagenskriterium für konventionelle triaxiale Belastungsbedingungen in isotropen Gesteinen (Dresen et al., 2010) erfolgreich auf echte triaxiale Belastungsbedingungen im transversal isotropen Gestein erweitert, um die Initiierung von Bohrlochrandausbrüchen vorherzusagen. Das Kriterium konnte erfolgreich an den durchgeführten Versuchen verifiziert werden. Das erweiterte Versagenskriterium und die Schlussfolgerungen aus dem Labor und der numerischen Arbeit helfen, das Risiko von Bohrlochausbrüchen in unkonventionellen Schiefern zu reduzieren. KW - borehole breakouts KW - unconventional shale KW - Posidonia shale KW - hollow cylinder experiments KW - shale strength KW - Bohrlochrandausbrüche KW - unkonventionelle Schiefer KW - Posidonienschiefer KW - Hohlzylinderversuche KW - Festigkeit des Schiefer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400019 ER - TY - THES A1 - Peh, Eddie K.W. T1 - Calcium carbonate formation BT - influence of various interfacial conditions Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Hethey, Christoph Philipp T1 - Cell physiology based pharmacodynamic modeling of antimicrobial drug combinations T1 - Zellphysiologie-basierte pharmakodynamische Modellierung von antimikrobiellen Wirkstoffkombinationen N2 - Mathematical models of bacterial growth have been successfully applied to study the relationship between antibiotic drug exposure and the antibacterial effect. Since these models typically lack a representation of cellular processes and cell physiology, the mechanistic integration of drug action is not possible on the cellular level. The cellular mechanisms of drug action, however, are particularly relevant for the prediction, analysis and understanding of interactions between antibiotics. Interactions are also studied experimentally, however, a lacking consent on the experimental protocol hinders direct comparison of results. As a consequence, contradictory classifications as additive, synergistic or antagonistic are reported in literature. In the present thesis we developed a novel mathematical model for bacterial growth that integrates cell-level processes into the population growth level. The scope of the model is to predict bacterial growth under antimicrobial perturbation by multiple antibiotics in vitro. To this end, we combined cell-level data from literature with population growth data for Bacillus subtilis, Escherichia coli and Staphylococcus aureus. The cell-level data described growth-determining characteristics of a reference cell, including the ribosomal concentration and efficiency. The population growth data comprised extensive time-kill curves for clinically relevant antibiotics (tetracycline, chloramphenicol, vancomycin, meropenem, linezolid, including dual combinations). The new cell-level approach allowed for the first time to simultaneously describe single and combined effects of the aforementioned antibiotics for different experimental protocols, in particular different growth phases (lag and exponential phase). Consideration of ribosomal dynamics and persisting sub-populations explained the decreased potency of linezolid on cultures in the lag phase compared to exponential phase cultures. The model captured growth rate dependent killing and auto-inhibition of meropenem and - also for vancomycin exposure - regrowth of the bacterial cultures due to adaptive resistance development. Stochastic interaction surface analysis demonstrated the pronounced antagonism between meropenem and linezolid to be robust against variation in the growth phase and pharmacodynamic endpoint definition, but sensitive to a change in the experimental duration. Furthermore, the developed approach included a detailed representation of the bacterial cell-cycle. We used this representation to describe septation dynamics during the transition of a bacterial culture from the exponential to stationary growth phase. Resulting from a new mechanistic understanding of transition processes, we explained the lag time between the increase in cell number and bacterial biomass during the transition from the lag to exponential growth phase. Furthermore, our model reproduces the increased intracellular RNA mass fraction during long term exposure of bacteria to chloramphenicol. In summary, we contribute a new approach to disentangle the impact of drug effects, assay readout and experimental protocol on antibiotic interactions. In the absence of a consensus on the corresponding experimental protocols, this disentanglement is key to translate information between heterogeneous experiments and also ultimately to the clinical setting. N2 - Der Zusammenhang zwischen antibiotischer Exposition und antibakterieller Wirkung wird derzeitlich erfolgreich mithilfe von mathematischen Bakterienwachstumsmodellen studiert. Üblicherweise ignorieren diese Modelle jedoch die bakterielle Physiologie und Prozesse auf Zellebene. Es folgt, dass das mechanistische Einbinden von Wirkstoffeffekten auf Zellebene nicht möglich ist. Jedoch ist der zelluläre Wirkmechanismus besonders relevant für die Vorhersage, die Analyse und das Verständnis von Antibiotikainteraktionen. Leider gibt es keinen Konsens bezüglich des experimentellen Protokolls, um diese Interaktionen zu untersuchen. Das ist einer der Gründe, warum wir in der Literatur widersprüchliche Klassifizierungen von Antibiotikainteraktionen als additiv, synergistisch oder antagonistisch finden. In der vorliegenden Arbeit entwickelten wir ein neuartiges mathematisches Bakterienwachstumsmodel, welches Prozesse auf Zellebene in das Populationswachstum einbindet. Der Anwendungszweck dieses Models ist die Vorhersage bakteriellen Wachstums unter antimikrobieller Mehrfachexposition in vitro. Um das zu erreichen, kombinierten wir die Zellebene beschreibende Daten aus der Literatur mit Wachstumsdaten für Bacillus subtilis, Escherichia coli und Staphylococcus aureus. Die die Zellebene beschreibenden Daten bezogen sich auf Wachstums-bestimmende Charakteristika einer Referenzzelle, unter anderem auf die ribosomale Konzentration und Effizienz. Die Wachstumsdaten beinhalteten umfangreiche Zeit-Absterbe-Kurven für klinisch relevante Antibiotika (Tetracyclin, Chloramphenicol, Vancomycin, Meropenem, Linezolid) und Zweifachkombinationen aus diesen. Der neue Zellebenen-Ansatz erlaubt es erstmalig, einzelne und kombinierte Effekte der erwähnten Antibiotika für unterschiedliche experimentelle Protokolle gleichzeitig zu beschreiben. Insbesondere beziehen sich diese Unterschiede auf die Wachstumsphasen (Lag oder exponentiellen Phase). Die Berücksichtigung der ribosomalen Konzentration und persistenter Subpopulationen erklärte die verminderte Potenz von Linezolid gegen Kulturen in der Lag Phase im Vergleich zu Kulturen, die sich in der exponentiellen Phase befanden. Das Model erfasst Wachstumsraten-abhängiges Zelltöten und die Selbstinhibierung von Meropenem und - ebenso für Vancomycin - ein Wiederanwachsen der bakteriellen Kulturen aufgrund von adaptiver Resistenzentwicklung. Stochastische Analysen der Interaktionsoberflächen zeigen, dass der ausgeprägte Antagonismus zwischen Meropenem und Linezolid zwar robust gegenüber Variation der Wachstumsphase und der Definition des pharmakodynamischen Endpunktes reagiert, jedoch empfindlich von der Zeitspanne des Experiments beeinflusst wird. Desweiteren enthält der entwickelte Ansatz eine detaillierte Repräsentation des bakteriellen Zellzyklus. Wir nutzten diese Repräsentation, um Septierungsdynamiken während des Übergangs einer bakteriellen Kultur aus der exponentiellen Phase in die stationäre Phase zu beschreiben. Basierend auf einem neugewonnenen mechanistischen Verständnis für diese Übergänge, konnten wir außerdem die zeitliche Verzögerung erklären, die zwischen dem Anstieg der Zellanzahl und der Biomasse während des Übergangs von Lag zu exponentieller Phase auftritt. Außerdem reproduziert unser Modell den erhöhten intrazellulären RNA Massenanteil, der auftritt, wenn Bakterien Chloramphenikol ausgesetzt werden. Zusammenfassend steuern wir einen neuen Ansatz bei, der es erlaubt, die Einflüsse von Wirkstoffeffekten, Endpunktdefinitionen und des experimentellen Protokolls zu entflechten. Da kein Konsens hinsichtlich eines entsprechenden experimentellen Protokolls existiert, ist eine solche Entflechtung der Schlüssel, um Informationen zwischen unterschiedlichen Experimenten - und letztendlich auch in die Klinik - zu transferieren. KW - antibiotic combinations KW - bacterial population growth KW - pharmacodynamics KW - drug drug interactions KW - time-kill curves KW - ribosomal dynamics KW - Antibiotika KW - Wirkstoffinteraktionen KW - Pharmakodynamik KW - mathematische Modellierung KW - mathematical modelling Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401056 ER - TY - THES A1 - Suchoszek, Monika T1 - Characterization of inducible galactolipid biosynthesis mutants in tobacco N2 - Chloroplast membranes have a unique composition characterized by very high contents of the galactolipids, MGDG and DGDG. Many studies on constitutive, galactolipid-deficient mutants revealed conflicting results about potential functions of galactolipids in photosynthetic membranes. Likely, this was caused by pleiotropic effects such as starvation artefacts because of impaired photosynthesis from early developmental stages of the plants onward. Therefore, an ethanol inducible RNAi-approach has been taken to suppress two key enzymes of galactolipid biosynthesis in the chloroplast, MGD1 and DGD1. Plants were allowed to develop fully functional source leaves prior to induction, which then could support plant growth. Then, after the ethanol induction, both young and mature leaves were investigated over time. Our studies revealed similar changes in both MGDG- and DGDG-deficient lines, however young and mature leaves of transgenic lines showed a different response to galactolipid deficiency. While no changes of photosynthetic parameters and minor changes in lipid content were observed in mature leaves of transgenic lines, strong reductions in total chlorophyll content and in the accumulation of all photosynthetic complexes and significant changes in contents of various lipid groups occurred in young leaves. Microscopy studies revealed an appearance of lipid droplets in the cytosol of young leaves in all transgenic lines which correlates with significantly higher levels of TAGs. Since in young leaves the production of membrane lipids is lowered, the excess of fatty acids is used for storage lipids production, resulting in the accumulation of TAGs. Our data indicate that both investigated galactolipids serve as structural lipids since changes in photosynthetic parameters were mainly the result of reduced amounts of all photosynthetic constituents. In response to restricted galactolipid synthesis, thylakoid biogenesis is precisely readjusted to keep the proper stoichiometry and functionality of the photosynthetic apparatus. Ultimately, the data revealed that downregulation of one galactolipid triggers changes not only in chloroplasts but also in the nucleus as shown by downregulation of nuclear encoded subunits of the photosynthetic complexes. KW - galactolipids KW - photosynthesis KW - tobacco Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Foti, Alessandro T1 - Characterization of the human aldehyde oxidase T1 - Charakterisierung der menschlichen Aldehydoxidase BT - Studies on the FAD active site and ROS generation N2 - In this work the human AOX1 was characterized and detailed aspects regarding the expression, the enzyme kinetics and the production of reactive oxygen species (ROS) were investigated. The hAOX1 is a cytosolic enzyme belonging to the molybdenum hydroxylase family. Its catalytically active form is a homodimer with a molecular weight of 300 kDa. Each monomer (150 kDa) consists of three domains: a N-terminal domain (20 kDa) containing two [2Fe-2S] clusters, a 40 kDa intermediate domain containing a flavin adenine dinucleotide (FAD), and a C-terminal domain (85 kDa) containing the substrate binding pocket and the molybdenum cofactor (Moco). The hAOX1 has an emerging role in the metabolism and pharmacokinetics of many drugs, especially aldehydes and N- heterocyclic compounds. In this study, the hAOX1 was hetereogously expressed in E. coli TP1000 cells, using a new codon optimized gene sequence which improved the expressed protein yield of around 10-fold compared to the previous expression systems for this enzyme. To increase the catalytic activity of hAOX1, an in vitro chemical sulfuration was performed to favor the insertion of the equatorial sulfido ligand at the Moco with consequent increased enzymatic activity of around 10-fold. Steady-state kinetics and inhibition studies were performed using several substrates, electron acceptors and inhibitors. The recombinant hAOX1 showed higher catalytic activity when molecular oxygen was used as electron acceptor. The highest turn over values were obtained with phenanthridine as substrate. Inhibition studies using thioridazine (phenothiazine family), in combination with structural studies performed in the group of Prof. M.J. Romão, Nova Universidade de Lisboa, showed a new inhibition site located in proximity of the dimerization site of hAOX1. The inhibition mode of thioridazine resulted in a noncompetitive inhibition type. Further inhibition studies with loxapine, a thioridazine-related molecule, showed the same type of inhibition. Additional inhibition studies using DCPIP and raloxifene were carried out. Extensive studies on the FAD active site of the hAOX1 were performed. Twenty new hAOX1 variants were produced and characterized. The hAOX1 variants generated in this work were divided in three groups: I) hAOX1 single nucleotide polymorphisms (SNP) variants; II) XOR- FAD loop hAOX1 variants; III) additional single point hAOX1 variants. The hAOX1 SNP variants G46E, G50D, G346R, R433P, A439E, K1231N showed clear alterations in their catalytic activity, indicating a crucial role of these residues into the FAD active site and in relation to the overall reactivity of hAOX1. Furthermore, residues of the bovine XOR FAD flexible loop (Q423ASRREDDIAK433) were introduced in the hAOX1. FAD loop hAOX1 variants were produced and characterized for their stability and catalytic activity. Especially the variants hAOX1 N436D/A437D/L438I, N436D/A437D/L438I/I440K and Q434R/N436D/A437D/L438I/I440K showed decreased catalytic activity and stability. hAOX1 wild type and variants were tested for reactivity toward NADH but no reaction was observed. Additionally, the hAOX1 wild type and variants were tested for the generation of reactive oxygen species (ROS). Interestingly, one of the SNP variants, hAOX1 L438V, showed a high ratio of superoxide prodction. This result showed a critical role for the residue Leu438 in the mechanism of oxygen radicals formation by hAOX1. Subsequently, further hAOX1 variants having the mutated Leu438 residue were produced. The variants hAOX1 L438A, L438F and L438K showed superoxide overproduction of around 85%, 65% and 35% of the total reducing equivalent obtained from the substrate oxidation. The results of this work show for the first time a characterization of the FAD active site of the hAOX1, revealing the importance of specific residues involved in the generation of ROS and effecting the overall enzymatic activity of hAOX1. The hAOX1 SNP variants presented here indicate that those allelic variations in humans might cause alterations ROS balancing and clearance of drugs in humans. N2 - Aldehydoxidasen (AOX) sind Molybdo-enzyme, die durch breite Substratspezifität gekennzeichnet sind, aromatische/aliphatische Aldehyde in die entsprechenden Carbonsäuren oxidieren und verschiedene heteroaromatische Ringe hydroxylieren. Die Enzyme verwenden Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor und produzieren reduzierte Sauerstoffspezies während des Umsatzes. Die physiologische Funktion von Säugetier-AOX-Isoenzymen ist noch unklar, aber menschliches AOX (hAOX1) ist ein Enzym von Phase-I-Wirkstoff-Metabolismus. Weiterhin, wurden zahlreiche Einzelnukleotidpolymorphismen (SNP) und weitere hAOX1-Mutanten im hAOX1-Gen identifiziert. SNPs sind eine Hauptquelle für die interindividuelle Variabilität in der menschlichen Population, und SNP-basierte Aminosäureaustausche in hAOX1 modulieren die katalytische Funktion des Enzyms entweder positiv oder negativ. In diesem Bericht haben wir zehn neue SNPs ausgewählt, die zu Aminosäureaustauschen in der Nähe der FAD-Cofaktor von hAOX1 führen und die gereinigten Enzyme nach heterologen Expression in Escherichia coli charakterisieren. Darüber hinaus haben wir zehn weitere FAD-Varianten produziert. Die hAOX1-Varianten wurden sorgfältig durch quantitative Unterschiede in ihrer Fähigkeit zur Herstellung von Superoxidradikal charakterisiert. ROS repräsentieren markante Schlüsselmoleküle in physiologischen und pathologischen Zuständen in der Zelle. Unsere Daten zeigen signifikante Veränderungen der Superoxid-Anionenproduktion unter den Varianten. Insbesondere führte der Rest L438 in der Nähe des Isoalloxanzinringes des FAD-Cofaktors zu einer erhöhten Superoxid-Radikalproduktion von 75-85%. In Anbetracht der hohen Toxizität des Superoxid-Anions in der Zelle ist die hAOX1-L438V SNP-Variante ein eventueller Kandidat für kritische oder pathologische Rollen dieser natürlichen Variante innerhalb der menschlichen Population. KW - aldehyde KW - oxidase KW - ROS KW - reactive oxygen species Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410107 ER - TY - THES A1 - Roland, Steffen T1 - Charge carrier recombination and open circuit voltage in organic solar cells T1 - Ladungsträger Rekombination und Leerlaufspannung in organischen Solarzellen BT - from bilayer-model systems to hybrid multi-junctions BT - von Bilayer Modellsystemen zu hybriden Mehrschichtsolarzellen N2 - Tremendous progress in the development of thin film solar cell techniques has been made over the last decade. The field of organic solar cells is constantly developing, new material classes like Perowskite solar cells are emerging and different types of hybrid organic/inorganic material combinations are being investigated for their physical properties and their applicability in thin film electronics. Besides typical single-junction architectures for solar cells, multi-junction concepts are also being investigated as they enable the overcoming of theoretical limitations of a single-junction. In multi-junction devices each sub-cell operates in different wavelength regimes and should exhibit optimized band-gap energies. It is exactly this tunability of the band-gap energy that renders organic solar cell materials interesting candidates for multi-junction applications. Nevertheless, only few attempts have been made to combine inorganic and organic solar cells in series connected multi-junction architectures. Even though a great diversity of organic solar cells exists nowadays, their open circuit voltage is usually low compared to the band-gap of the active layer. Hence, organic low band-gap solar cells in particular show low open circuit voltages and the key factors that determine the voltage losses are not yet fully understood. Besides open circuit voltage losses the recombination of charges in organic solar cells is also a prevailing research topic, especially with respect to the influence of trap states. The exploratory focus of this work is therefore set, on the one hand, on the development of hybrid organic/inorganic multi-junctions and, on the other hand, on gaining a deeper understanding of the open circuit voltage and the recombination processes of organic solar cells. In the first part of this thesis, the development of a hybrid organic/inorganic triple-junction will be discussed which showed at that time (Jan. 2015) a record power conversion efficiency of 11.7%. The inorganic sub-cells of these devices consist of hydrogenated amorphous silicon and were delivered by the Competence Center Thin-Film and Nanotechnology for Photovoltaics in Berlin. Different recombination contacts and organic sub-cells were tested in conjunction with these inorganic sub-cells on the basis of optical modeling predictions for the optimal layer thicknesses to finally reach record efficiencies for this type of solar cells. In the second part, organic model systems will be investigated to gain a better understanding of the fundamental loss mechanisms that limit the open circuit voltage of organic solar cells. First, bilayer systems with different orientation of the donor and acceptor molecules were investigated to study the influence of the donor/acceptor orientation on non-radiative voltage loss. Secondly, three different bulk heterojunction solar cells all comprising the same amount of fluorination and the same polymer backbone in the donor component were examined to study the influence of long range electrostatics on the open circuit voltage. Thirdly, the device performance of two bulk heterojunction solar cells was compared which consisted of the same donor polymer but used different fullerene acceptor molecules. By this means, the influence of changing the energetics of the acceptor component on the open circuit voltage was investigated and a full analysis of the charge carrier dynamics was presented to unravel the reasons for the worse performance of the solar cell with the higher open circuit voltage. In the third part, a new recombination model for organic solar cells will be introduced and its applicability shown for a typical low band-gap cell. This model sheds new light on the recombination process in organic solar cells in a broader context as it re-evaluates the recombination pathway of charge carriers in devices which show the presence of trap states. Thereby it addresses a current research topic and helps to resolve alleged discrepancies which can arise from the interpretation of data derived by different measurement techniques. N2 - In der Photovoltaikforschung spielen neuartige Dünnschichtsolarzellen eine immer größere Rolle. Neben innovativen Design und Anwendungskonzepten sind Material und Kostenreduzierung in der Herstellung die größten Triebfedern für die Entwicklung neuer Technologien. Hier sind neben den vielversprechenden Perowskitsolarzellen insbesondere organische Solarzellen zu nennen, die sich durch ihre chemische Vielseitigkeit, einfache Verarbeitung und stetige Weiterentwicklung in Bezug auf ihre Effizienz auszeichnen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht die Herstellung organischer Solarzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, was wiederum Vorteile für den Einsatz in seriengeschaltete Mehrschichtsolarzellen bietet. Diese erlauben es, fundamentale Limitierungen von Einschichtsolarzellsystemen zu überwinden. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung einer neuartigen hybriden Multischichtsolarzelle, die sowohl aus anorganischen als auch organischen Subzellen besteht und zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung einen neuen Effizienzrekord für diese Klasse von Solarzellen aufzeigte. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit fundamentalen physikalischen Prozessen in organischen Solarzellen, da viele Funktionsmechanismen noch nicht im Detail geklärt sind. An verschiedenen organischen Modellsolarzellsystemen wurde daher unter anderem der Einfluss molekularer Orientierung von Donor- und Akzeptorkomponenten der Solarzelle oder der Einfluss von Fluorinierung des Donors auf die Leerlaufspannung der Solarzelle untersucht. Auf diese Weise konnten neue wichtige Erkenntnisse über den Einfluss von verschiedenen Verlustkanälen und der Energetik auf die Leerlaufspannung gewonnen werden. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung eines neuen Modells, welches den Rekombinationsprozess von Ladungen in einer bestimmten organischen Solarzelle beschreibt. Dieses neue Modell wurde anhand umfangreicher Experimente validiert und ermöglicht es, insbesondere den Einfluss freier und in sogenannten Fallenzuständen gefangener Ladungen auf die Rekombination zu trennen. Damit hat dieses Modell eine weitreichende Bedeutung, zum einen für die Beurteilung von typischen Rekombinationsexperimenten in organischen Solarzellen und zum anderen für die Bewertung des Einflusses von Fallenzuständen auf den Rekombinationsstrom. KW - organic solar cells KW - charge carrier recombination KW - open circuit voltage KW - hybrid multi-junction solar cell KW - organische Solarzellen KW - Ladungsträgerrekombination KW - Leerlaufspannung KW - hybride Mehrschichtsolarzellen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397721 ER - TY - THES A1 - Leonhardt, Helmar T1 - Chemotaxis, shape and adhesion dynamics of amoeboid cells studied by impedance fluctuations in open and confined spaces T1 - Chemotaxis, Formänderung und Adhäsionsdynamik amöboider Zellen gemessen durch Impedanzfluktuation N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit elektrischen Impedanzmessungen von ameoboiden Zellen auf Mikroelektroden. Der Modellorganismus Dictyostelium discoideum zeigt unter der Bedingung des Nahrungsentzugs einen Übergang zum kollektiven Verhalten, bei dem sich chemotaktische Zellen zu einem multizellulären Aggregat zusammenschliessen. Wir zeigen wie Impedanzaufnahmen über die Dynamik der Zell-substrat Adhäsion ein präzises Bild der Phasen der Aggregation liefern. Darüberhinaus zeigen wir zum ersten mal systematische Einzelzellmessungen von Wildtyp-Zellen und vier Mutanten, die sich in der Stärke der Substratadh äsion unterscheiden. Wir zeichneten die projizierte Zellfläche durch Zeitverlaufsmikroskopie auf und fanden eine Korrelation zwischen den quasi-periodischen Oszillationen in der Kinetik der projizierten Fläche - der Zellform-Oszillation - und dem Langzeittrend des Impedanzsignals. Amoeboidale Motilität offenbart sich typischerweise durch einen Zyklus von Membranausstülpung, Substratadhäsion, Vorwärtsziehen des Zellkörpers und Einziehen des hinteren Teils der Zelle. Dieser Motilitätszyklus resultiert in quasi-periodischen Oszillationen der projizierten Zellfläche und der Impedanz. In allen gemessenen Zelllinien wurden für diesen Zyklus ähnliche Periodendauern beobachtet trotz der Unterschiede in der Anhaftungsstärke. Wir beobachteten, dass die Stärke der Zell-substrat Anhaftung die Impedanz stark beeinflusst, indem die Abweichungen vom Mittelwert (die Grösse der Fluktuationen) vergrössert sind bei Zellen, die die vom Zytoskelett generierten Kräfte effektiv auf das Substrat übertragen. Zum Beispiel sind bei talA- Zellen, in welchen das Actin verankernde Protein Talin fehlt, die Fluktuationen stark reduziert. Einzelzellkraft-Spektroskopie und Ergebnisse eines Ablösungsassays, bei dem Adhäsionskraft gemessen wird indem Zellen einer Scherspannung ausgesetzt werden, bestätigen, dass die Grösse der Impedanz-fluktuationen ein korrektes Mass für die Stärke der Substratadhäsion ist. Schliesslich haben wir uns auch mit dem Einbau von Zell-substrat-Impedanz-Sensoren in mikro-fluidische Apparaturen befasst. Ein chip-basierter elektrischer Chemotaxis Assay wurde entwickelt, der die Geschwindigkeit chemotaktischer Zellen misst, welche entlang eines chemischen Konzentrationsgradienten über Mikroelektroden wandern. N2 - We present electrical impedance measurements of amoeboid cells on microelectrodes. The model organism Dictyostelium discoideum shows under starvation conditions a transition to collective behavior when chemotactic cells collect in multicellular aggregates. We show how impedance recordings give a precise picture of the stages of aggregation by tracing the dynamics of cell-substrate adhesion. Furthermore, we present for the first time systematic single cell measurements of wild type cells and four mutant strains that differ in their substrate adhesion strength. We recorded the projected cell area by time lapse microscopy and found a correlation between quasi-periodic oscillations in the kinetics of the projected area - the cell shape oscillation - and the long-term trend in the impedance signal. Typically, amoeboid motility advances via a cycle of membrane protrusion, substrate adhesion, traction of the cell body and tail retraction. This motility cycle results in the quasi-periodic oscillations of the projected cell area and the impedance. In all cell lines measured, similar periods were observed for this cycle, despite the differences in attachment strength. We observed that cell-substrate attachment strength strongly affects the impedance in that the deviations from mean (the magnitude of fluctuations) are enhanced in cells that effectively transmit forces, generated by the cytoskeleton, to the substrate. For example, in talA- cells, which lack the actin anchoring protein talin, the fluctuations are strongly reduced. Single cell force spectroscopy and results from a detachment assay, where adhesion is measured by exposing cells to shear stress, confirm that the magnitude of impedance fluctuations is a correct measure for the strength of substrate adhesion. Finally, we also worked on the integration of cell-substrate impedance sensors into microfluidic devices. A chip-based electrical chemotaxis assay is designed which measures the speed of chemotactic cells migrating over microelectrodes along a chemical concentration gradient. KW - ECIS KW - cell-substrate adhesion KW - cell movement KW - electrical chemotaxis assay KW - ECIS KW - Zell-substrat Adhäsion KW - Zell Bewegung KW - elektrischer Chemotaxis Assy Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-405016 ER - TY - THES A1 - van Noort, Betteke Maria T1 - Children with early-onset anorexia nervosa and their cognitive abilities Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Gudipudi, Venkata Ramana T1 - Cities and global sustainability T1 - Städte und globale Nachhaltigkeit BT - insights from emission and ecological efficiency BT - Einblicke von Emission und ökologischer Effizienz N2 - In the wake of 21st century, humanity witnessed a phenomenal raise of urban agglomerations as powerhouses for innovation and socioeconomic growth. Driving much of national (and in few instances even global) economy, such a gargantuan raise of cities is also accompanied by subsequent increase in energy, resource consumption and waste generation. Much of anthropogenic transformation of Earth's environment in terms of environmental pollution at local level to planetary scale in the form of climate change is currently taking place in cities. Projected to be crucibles for entire humanity by the end of this century, the ultimate fate of humanity predominantly lies in the hands of technological innovation, urbanites' attitudes towards energy/resource consumption and development pathways undertaken by current and future cities. Considering the unparalleled energy, resource consumption and emissions currently attributed to global cities, this thesis addresses these issues from an efficiency point of view. More specifically, this thesis addresses the influence of population size, density, economic geography and technology in improving urban greenhouse gas (GHG) emission efficiency and identifies the factors leading to improved eco-efficiency in cities. In order to investigate the in uence of these factors in improving emission and resource efficiency in cities, a multitude of freely available datasets were coupled with some novel methodologies and analytical approaches in this thesis. Merging the well-established Kaya Identity to the recently developed urban scaling laws, an Urban Kaya Relation is developed to identify whether large cities are more emission efficient and the intrinsic factors leading to such (in)efficiency. Applying Urban Kaya Relation to a global dataset of 61 cities in 12 countries, this thesis identifed that large cities in developed regions of the world will bring emission efficiency gains because of the better technologies implemented in these cities to produce and utilize energy consumption while the opposite is the case for cities in developing regions. Large cities in developing countries are less efficient mainly because of their affluence and lack of efficient technologies. Apart from the in uence of population size on emission efficiency, this thesis identified the crucial role played by population density in improving building and on-road transport sector related emission efficiency in cities. This is achieved by applying the City Clustering Algorithm (CCA) on two different gridded land use datasets and a standard emission inventory to attribute these sectoral emissions to all inhabited settlements in the USA. Results show that doubling the population density would entail a reduction in the total CO2 emissions in buildings and on-road sectors typically by at least 42 %. Irrespective of their population size and density, cities are often blamed for their intensive resource consumption that threatens not only local but also global sustainability. This thesis merged the concept of urban metabolism with benchmarking and identified cities which are eco-efficient. These cities enable better socioeconomic conditions while being less burden to the environment. Three environmental burden indicators (annual average NO2 concentration, per capita waste generation and water consumption) and two socioeconomic indicators (GDP per capita and employment ratio) for 88 most populous European cities are considered in this study. Using two different non-parametric ranking methods namely regression residual ranking and Data Envelopment Analysis (DEA), eco-efficient cities and their determining factors are identified. This in-depth analysis revealed that mature cities with well-established economic structures such as Munich, Stockholm and Oslo are eco-efficient. Further, correlations between objective eco-efficiency ranking with each of the indicator rankings and the ranking of urbanites' subjective perception about quality of life are analyzed. This analysis revealed that urbanites' perception about quality of life is not merely confined to the socioeconomic well-being but rather to their combination with lower environmental burden. In summary, the findings of this dissertation has three general conclusions for improving emission and ecological efficiency in cities. Firstly, large cities in emerging nations face a huge challenge with respect to improving their emission efficiency. The task in front of these cities is threefold: (1) deploying efficient technologies for the generation of electricity and improvement of public transportation to unlock their leap frogging potential, (2) addressing the issue of energy poverty and (3) ensuring that these cities do not develop similar energy consumption patterns with infrastructure lock-in behavior similar to those of cities in developed regions. Secondly, the on-going urban sprawl as a global phenomenon will decrease the emission efficiency within the building and transportation sector. Therefore, local policy makers should identify adequate fiscal and land use policies to curb urban sprawl. Lastly, since mature cities with well-established economic structures are more eco-efficient and urbanites' perception re ects its combination with decreasing environmental burden; there is a need to adopt and implement strategies which enable socioeconomic growth in cities whilst decreasing their environment burden. N2 - Im Laufe des 21. Jahrhunderts verzeichnete die Menschheit eine gewaltige Zunahme urbaner Agglomerationen als Motor für Innovation und soziökonomisches Wachstum. Angetrieben durch die nationale (und in wenigen Fällen auch globale) Wirtschaft, dieser gigantische Aufstieg der Städte ist allerdings auch mit einer Zunahme von Energie- und Ressourcenverbrauch sowie erhöhter Abfallerzeugung verbunden. Ein Großteil der anthropogenen Transformation der Umwelt in Form von Klimaveränderungen von der lokalen Ebene bis in die planetarische Dimension findet derzeit in Städten statt. Angenommen dass bis zum Ende des Jahrhunderts die gesamte Menschheit in einer Art Schmelztiegel miteinander verbunden sein wird, dann hängt ihr Schicksal von der Umsetzung innovativer und überlegender Entwicklungspfade heutiger und zukünftiger Städte ab. Angesichts des unvergleichlichen Energie- und Ressourcenverbrauchs sowie der Emissionen, die derzeit in Städten verursacht werden, befasst sich diese Arbeit mit genau diesen Fragen aus der Perspektive der Effizienz. Genauer gesagt, diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der städtischen Größe, Dichte, Wirtschaftsgeographie und Technologie zur Verbesserung der Emissionseffizienz der städtischen Treibhausgase, mit dem Ziel die Faktoren, die zu einer Verbesserung der ökoeffizienz in Städten führt, zu identifizieren. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Verbesserung der Emissions- und Ressourceneffizienz in Städten zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit eine Vielzahl von frei verfügbaren Datensätzen mit neuartigen Methoden und analytischen Ansätzen gekoppelt. Durch die Verschmelzung der bereits etablierten Kaya-Identität‘ mit den kürzlich entwickelten urbanen Skalierungsgesetzen wird eine ’urbane Kaya-Relation’ entwickelt, um herauszufinden, ob Großstädte emissionsärmer also effizienter sind und welche Faktoren zu dieser (In-)Effizienz führen. Dafür wurde die ’urbanen Kaya-Relation’ auf einen globalen Datensatz für 61 Städte in 12 Ländern angewendet. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass den Großstädten in den entwickelten Regionen der Welt Effizienzgewinne aufgrund des Einsatzes besserer Technologien für die Produktion und Nutzung von Energie gelingt, während für die Städte in Entwicklungsländern das Gegenteil gilt. Großstädte in Entwicklungsländern sind weniger effizient, vor allem wegen ihres Wohlstands und des Mangels an effizienten Technologien. Abgesehen vom Einfluss der Bevölkerungsgröße auf die Emissionseffizienz, zeigt diese Arbeit auch die entscheidende Rolle der Bevölkerungsdichte bei der Effizienzsteigerung im Bau- und Transportsektor. Dies wird durch die Anwendung des City Clustering Algorithmus (CCA) auf zwei verschiedene raster-basierte Landnutzungsdatensätze und ein Standard-Emissionskataster erreicht, um die sektoralen Emissionen allen bewohnten Siedlungen in den USA zuzuordnen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verdoppelung der Bevölkerungsdichte eine Verringerung der CO2-Gesamtemissionen in Gebäuden und Straßenverkehrssektoren um typischerweise mindestens 42% bedeuten würde. Unabhängig von der Bevölkerungsgröße und -dichte werden Städte häufig für ihren intensiven Ressourcenverbrauch verantwortlich gemacht, der nicht nur die lokale, sondern auch die globale Nachhaltigkeit bedroht. Diese Arbeit verbindet das Konzept des urbanen Metabolismus mit Benchmarking und identifiziert Städten, die ökoeffizient sind. Diese Städte bieten bessere sozioökonomische Bedingungen und belasten die Umwelt weniger. In dieser Studie werden drei Indikatoren für die Umweltbelastung (jährliche durchschnittliche NO2-Konzentration, Abfallaufkommen pro Kopf und Wasserverbrauch) und zwei sozioökonomische Indikatoren (BIP pro Kopf und Beschäftigungsquote) für die 88 bevölkerungsreichsten europäischen Städte berücksichtigt. Mithilfe von zwei verschiedenen Rankingmethoden, einerseits dem regression residual ranking‘ und der Data Envelopment Analysis‘ (DEA), werden ökoeffiziente Städte und ihre Bestimmungsfaktoren identifiziert. Die gründliche Analyse ergab, dass die gewachsenen Städte mit etablierten städtischen Wirtschaften wie München, Stockholm und Oslo ökoeffizient sind. Weiterhin wurden Zusammenhänge zwischen objektiven ökoeffizienz Einstufungen (ranking) mit den Einstufungen hinsichtlich einzelner Indikatoren sowie der subjektiven Wahrnehmung der Stadtbewohner über ihre Lebensqualität analysiert. Diese Analyse ergab, dass sich die Wahrnehmung der Lebensqualität von Stadtbewohnern nicht nur auf das sozioökonomische Wohlergehen beschränkt, sondern auch auf die Kombination mit einer geringeren Umweltbelastung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Dissertation drei generelle Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Emissions- und ökoeffizienz in Städten enthalten. Erstens stehen Großstädte in Schwellenländern wie China, Indien und Brasilien vor einer großen Herausforderung, ihre Emissionseffizienz zu verbessern. Vor diesen Städten stehen drei Aufgaben: (1) Einsatz effizienter Technologien zur Stromerzeugung und Verbesserung des öffentlichen Verkehrs, (2) Bekämpfung der Energiearmut und (3) Sicherstellung, dass diese Städte keine Energiekonsummuster entwickeln, die dem infrastrukturellen Lock-in-Verhalten‘ der Städte in entwickelten Regionen ähneln. Zweitens wird die fortschreitende Zersiedelung der Städte als globales Phänomen die Emissionseffizienz im Bau- und Verkehrssektor verringern. Daher sollten die lokalen politischen Entscheidungsträger angemessene fiskal- und landnutzungspolitische Maßnahmen zur Eindämmung der Zersiedelung der Städte festlegen. Schließlich müssen Strategien verabschiedet und umgesetzt werden, die das sozioökonomische Wachstum in den Städten ermöglicht und gleichzeitig die Umweltbelastung verringert, wie es in den gewachsenen Städten bereits heute vorzufinden ist. KW - cities KW - climate change KW - urban efficiency KW - sustainable urban development KW - Städe KW - Klimawandel KW - Städte Effizienz KW - nachaltige Städteentwicklung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407113 ER - TY - THES A1 - Weege, Stefanie T1 - Climatic drivers of retrogressive thaw slump activity and resulting sediment and carbon release to the nearshore zone of Herschel Island, Yukon Territory, Canada T1 - Einfluss des Klimas auf das Auftauen einer rückschreitenden Erosionsfront und die daraus resultierende Sediment- und Kohlenstofffreigabe in den Küstenbereich von Herschel Island, Kanada N2 - The Yukon Coast in Canada is an ice-rich permafrost coast and highly sensitive to changing environmental conditions. Retrogressive thaw slumps are a common thermoerosion feature along this coast, and develop through the thawing of exposed ice-rich permafrost on slopes and removal of accumulating debris. They contribute large amounts of sediment, including organic carbon and nitrogen, to the nearshore zone. The objective of this study was to 1) identify the climatic and geomorphological drivers of sediment-meltwater release, 2) quantify the amount of released meltwater, sediment, organic carbon and nitrogen, and 3) project the evolution of sediment-meltwater release of retrogressive thaw slumps in a changing future climate. The analysis is based on data collected over 18 days in July 2013 and 18 days in August 2012. A cut-throat flume was set up in the main sediment-meltwater channel of the largest retrogressive thaw slump on Herschel Island. In addition, two weather stations, one on top of the undisturbed tundra and one on the slump floor, measured incoming solar radiation, air temperature, wind speed and precipitation. The discharge volume eroding from the ice-rich permafrost and retreating snowbanks was measured and compared to the meteorological data collected in real time with a resolution of one minute. The results show that the release of sediment-meltwater from thawing of the ice-rich permafrost headwall is strongly related to snowmelt, incoming solar radiation and air temperature. Snowmelt led to seasonal differences, especially due to the additional contribution of water to the eroding sediment-meltwater from headwall ablation, lead to dilution of the sediment-meltwater composition. Incoming solar radiation and air temperature were the main drivers for diurnal and inter-diurnal fluctuations. In July (2013), the retrogressive thaw slump released about 25 000 m³ of sediment-meltwater, containing 225 kg dissolved organic carbon and 2050 t of sediment, which in turn included 33 t organic carbon, and 4 t total nitrogen. In August (2012), just 15 600 m³ of sediment-meltwater was released, since there was no additional contribution from snowmelt. However, even without the additional dilution, 281 kg dissolved organic carbon was released. The sediment concentration was twice as high as in July, with sediment contents of up to 457 g l-1 and 3058 t of sediment, including 53 t organic carbon and 5 t nitrogen, being released. In addition, the data from the 36 days of observations from Slump D were upscaled to cover the main summer season of 1 July to 31 August (62 days) and to include all 229 active retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast. In total, all retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast contribute a minimum of 1.4 Mio. m³ sediment-meltwater each thawing season, containing a minimum of 172 000 t sediment with 3119 t organic carbon, 327 t nitrogen and 17 t dissolved organic carbon. Therefore, in addition to the coastal erosion input to the Beaufort Sea, retrogressive thaw slumps additionally release 3 % of sediment and 8 % of organic carbon into the ocean. Finally, the future evolution of retrogressive thaw slumps under a warming scenario with summer air temperatures increasing by 2-3 °C by 2081-2100, would lead to an increase of 109-114% in release of sediment-meltwater. It can be concluded that retrogressive thaw slumps are sensitive to climatic conditions and under projected future Arctic warming will contribute larger amounts of thawed permafrost material (including organic carbon and nitrogen) into the environment. N2 - Die Yukon Küste in Kanada ist eine eisreiche Permafrost Küste und reagiert hoch sensibel auf verändernde Umweltbedingungen. Rückschreitende auftaubedingte Rutschungen sind vielzählig entlang der Küste und entstehen, wenn exponierter eisreicher Permafrost an Hängen auftaut und der daraus resultierende Schlamm abtransportiert wird. Diese Rutschungen tragen große Mengen von Sediment, inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff, in den küstennahen Bereich. Das Ziel dieser Studie war 1) die klimatischen und geomorphologischen Antriebskräfte für die Freisetzung von Sediment-Schmelzwasser zu identifizieren 2) die Mengen an Schmelzwasser, Sediment, organischen Kohlenstoff und Stickstoff zu quantifizieren und 3) die Entwicklung der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von rückschreitenden Rutschungen unter zukünftigen klimatischen Veränderungen abzuschätzen. Die größte rückschreitende Rutschung auf Herschel Island wird als „Slump D“ bezeichnet und steht im Fokus dieser Arbeit. Die Analysen basierten auf den Daten, die über 18 Tage im Juli (2013) und 18 Tage im August (2012) erhoben wurden. Eine Abfluss-Messrinne wurde in den Haupt-Sediment-Schmelzwasser-Kanal eingebaut, um die Sediment-Schmelzwassermassen zu erfassen. Zusätzlich wurden zwei Wetterstationen aufgebaut (auf der unberührten Tundra und innerhalb der Erosionsfläche), die Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Niederschlagsmenge aufzeichneten. Das Abflussvolumen, das vom auftauenden, eisreichen Permafrost und den schmelzenden Schneebänken ablief, wurde gemessen und mit den meteorologischen Daten in Echtzeit mit einer Auflösung von einer Minute verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Freigabe von Sediment-Schmelzwasser beim Auftauen der eisreichen Permafrost-Steilklippe stark von Schneeschmelze, Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur abhängen. Die Schneeschmelze führt zu saisonalen Unterschieden, besonders durch den zusätzlichen Betrag von Wasser zu dem erodierenden Sediment-Schmelzwasser der auftauenden Steilklippe. Dies führt zu einer Verdünnung des Sediment-Schmelzwassers. Sonneneinstrahlung und Lufttemperaturen waren die Hauptantriebskräfte für die Schwankungen im Tagesverlauf und die Unterschiede zwischen den Tagen. Die rückschreitende Rutschung gab im Juli (2013) ungefähr 25 000 m³ Sediment-Schmelzwasser frei, welches 225 kg gelösten organischen Kohlenstoff, 2050 t Sediment, inklusive 33 t organischen Kohlenstoff und 4 t Stickstoff enthielt. Im August (2012) fehlte der zusätzliche Eintrag der Schneeschmelze und das Sediment-Schmelzwasser-Volumen war geringer mit 15 600 m³. Dennoch, ohne die zusätzliche Verdünnung, wurden 281 kg gelöster organischer Kohlenstoff freigesetzt. Die Sedimentkonzentration war doppelt so hoch und führte zu einem Sedimentgehalt mit bis zu 457 g l-1 zu 3058 t Sediment, inklusive 53 t organischen Kohlenstoff und 5 t Stickstoff. Zusätzlich wurden die Daten der 36-tägigen Abflussmessung der rückschreitenden Rutschung auf 62 Tage, von 1. Juli bis 31. August auf alle 229 aktiven Rutschungen entlang der Yukon Küste hochgerechnet. Es wurde diskutiert, dass alle rückschreitenden Rutschungen entlang der Yukon Küste zusammen mindestens 1,4 Mio. m³ Sediment-Schmelzwasser während jeder Auftausaison freigeben. Diese enthalten ein Minimum von 172 000 t Sediment, 3119 t organischen Kohlenstoff, 327 t Stickstoff und 17 t gelösten organischen Kohlenstoff. Daher kann zusammengefasst werden, dass zusätzlich zur Küstenerosion von allen Rutschungen noch ein zusätzlicher Beitrag von 3 % Sediment und 8 % organischen Kohlenstoff in die Beaufort See eingetragen wird. Schließlich wurde die zukünftige Entwicklung dieser rückschreitenden Rutschungen bei einem Temperaturanstieg von 2-3 °C bis 2081-2100 diskutiert. Dies könnte zu einem Anstieg der Sediment-Schmelzwasser-Freigabe von 109-114 % führen. Es kann daraus geschlossen werden, dass rückschreitende Rutschungen sensibel auf Klimabedingungen reagieren und mit der Arktischen Erwärmung größere Mengen an auftauenden Permafrost (inklusive organischen Kohlenstoff und Stickstoff) in die Umwelt freigeben werden. KW - permafrost KW - arctic KW - Canada KW - coast KW - erosion KW - Permafrost KW - Arktik KW - Kanada KW - Küste KW - Erosion Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397947 ER - TY - THES A1 - Schedina, Ina-Maria T1 - Comparative genetic and transcriptomic analyses of the amazon molly, poecilia formosa and its parental species, poecilia mexicana and poecilia latipinna Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Pandey-Pant, Pooja T1 - Comparative transcriptomics and functional genomics during phosphorus limitation in plants Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Shenar, Tomer T1 - Comprehensive analyses of massive binaries and implications on stellar evolution T1 - Umfassende Analysen massereicher Doppelsterne und Implikationen für die Sternentwicklung N2 - Via their powerful radiation, stellar winds, and supernova explosions, massive stars (Mini & 8 M☉) bear a tremendous impact on galactic evolution. It became clear in recent decades that the majority of massive stars reside in binary systems. This thesis sets as a goal to quantify the impact of binarity (i.e., the presence of a companion star) on massive stars. For this purpose, massive binary systems in the Local Group, including OB-type binaries, high mass X-ray binaries (HMXBs), and Wolf-Rayet (WR) binaries, were investigated by means of spectral, orbital, and evolutionary analyses. The spectral analyses were performed with the non-local thermodynamic equillibrium (non-LTE) Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. Thanks to critical updates in the calculation of the hydrostatic layers, the code became a state-of-the-art tool applicable for all types of hot massive stars (Chapter 2). The eclipsing OB-type triple system δ Ori served as an intriguing test-case for the new version of the PoWR code, and provided key insights regarding the formation of X-rays in massive stars (Chapter 3). We further analyzed two prototypical HMXBs, Vela X-1 and IGR J17544-2619, and obtained fundamental conclusions regarding the dichotomy of two basic classes of HMXBs (Chapter 4). We performed an exhaustive analysis of the binary R 145 in the Large Magellanic Cloud (LMC), which was claimed to host the most massive stars known. We were able to disentangle the spectrum of the system, and performed an orbital, polarimetric, and spectral analysis, as well as an analysis of the wind-wind collision region. The true masses of the binary components turned out to be significantly lower than suggested, impacting our understanding of the initial mass function and stellar evolution at low metallicity (Chapter 5). Finally, all known WR binaries in the Small Magellanic Cloud (SMC) were analyzed. Although it was theoretical predicted that virtually all WR stars in the SMC should be formed via mass-transfer in binaries, we find that binarity was not important for the formation of the known WR stars in the SMC, implying a strong discrepancy between theory and observations (Chapter 6). N2 - Durch ihre intensive Strahlung, Sternwinde und Supernovaexplosionen tragen massereiche Sterne (Minitial & 8 M☉) erheblich zur Entwicklung von Galaxien bei. In den letzten Jahren wurde es immer klarer, dass sich die Mehrheit der massereichen Sterne in Doppelsternsystemen befindet. Die vorliegende Doktorarbeit hat das Ziel, den Einfluss dieser Tatsache auf die Entwicklung massereicher Sterne quantitativ zu untersuchen. Um dies zu erreichen, haben wir eine Analyse der Umläufe, Spektren und Entwicklung verschiedener Doppelsternsysteme in der lokalen Gruppe durchgeführt, die OB-Sterne, massereicher Röntgendoppelsterne (HMXBs) und Wolf-Rayet-(WR)-Doppelsterne einschließt. Die Spektralanalyse wurde mithilfe des Potsdam-Wolf-Rayet-(PoWR)-Modellatmosphären-Programms für Strahlungstransport in Abwesenheit von lokalem thermodynamischen Gleichgewicht (non-LTE) durchgeführt. Das PoWR-Programm wurde im Laufe der Arbeit aktualisiert, sodass die Berechnung der hydrostatischen Schichten des Sternes nun wesentlich genauer erfolgt, was die Verwendung dieses Programms für alle Typen heißer massereicher Sterne erlaubte (Kapitel 2). Das bedeckungsveränderliche Dreifachsternsystem δ Ori diente als Test für diese neue Version von PoWR, und lieferte wesentliche Informationen bezüglich der Entstehung von Röntgenstrahlung in massereichen Sternen (Kapitel 3). Die Analyse zweier prototypischer massereicher Röntgendoppelsterne, Vela X-1 und IGR J17544-2619, machte den Ursprung der Dichotomie der zwei Hauptklassen der Röntgendoppelsterne deutlich (Kapitel 4). Eine umfassende Analyse des Doppelsterns R145 in der Großen Magellanschen Wolke (LMC), der angeblich aus den massereichsten uns bekannten Sternen besteht, wurde durchgeführt. Mithilfe einer Dekomposition des Spektrums, einer Orbital- und Spektralanalyse, sowie einer Analyse der Kollision von Sternwinden in diesem System konnten wir zeigen, dass die Massen der Komponenten wesentlich kleiner sind als bisher angenommen. Dies ist ein wichtiger Beitrag zu unserem Verständnis der Anfangsmassenfunktion und der Entwicklung massereicher Sterne in Umgebungen geringer Metalizität (Kapitel 5). Schließlich wurde die Gesamtpopulation der WR-Doppelsterne in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC) analysiert. Im Widerspruch zur theoretischen Vorhersage, alle WR-Doppelsterne in der SMC seien dank Massentransfer in Doppelsternsystemen entstanden, finden wir, dass Massentransfer unerheblich für die Entstehung der uns bekannten WR-Sterne in der SMC war (Kapitel 6). KW - massive stars KW - Wolf-Rayet KW - stellar evolution KW - stellar winds KW - binary stars KW - massereiche Sterne KW - Wolf-Rayet KW - Sternentwicklung KW - Sternwinde KW - Doppelsterne Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104857 ER - TY - THES A1 - You, Zewang T1 - Conformational transition of peptide-functionalized cryogels enabling shape-memory capability Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Guidi, Giovanni T1 - Connecting simulations and observations in galaxy formation studies T1 - Verknüpfung von Simulationen und Beobachtungen bei der Untersuchung der Galaxienenstehung N2 - Observational and computational extragalactic astrophysics are two fields of research that study a similar subject from different perspectives. Observational extragalactic astrophysics aims, by recovering the spectral energy distribution of galaxies at different wavelengths, to reliably measure their properties at different cosmic times and in a large variety of environments. Analyzing the light collected by the instruments, observers try to disentangle the different processes occurring in galaxies at the scales of galactic physics, as well as the effect of larger scale processes such as mergers and accretion, in order to obtain a consistent picture of galaxy formation and evolution. On the other hand, hydrodynamical simulations of galaxy formation in cosmological context are able to follow the evolution of a galaxy along cosmic time, taking into account both external processes such as mergers, interactions and accretion, and internal mechanisms such as feedback from Supernovae and Active Galactic Nuclei. Due to the great advances in both fields of research, we have nowadays available spectral and photometric information for a large number of galaxies in the Universe at different cosmic times, which has in turn provided important knowledge about the evolution of the Universe; at the same time, we are able to realistically simulate galaxy formation and evolution in large volumes of the Universe, taking into account the most relevant physical processes occurring in galaxies. As these two approaches are intrinsically different in their methodology and in the information they provide, the connection between simulations and observations is still not fully established, although simulations are often used in galaxies' studies to interpret observations and assess the effect of the different processes acting on galaxies on the observable properties, and simulators usually test the physical recipes implemented in their hydrodynamical codes through the comparison with observations. In this dissertation we aim to better connect the observational and computational approaches in the study of galaxy formation and evolution, using the methods and results of one field to test and validate the methods and results of the other. In a first work we study the biases and systematics in the derivation of the galaxy properties in observations. We post-process hydrodynamical cosmological simulations of galaxy formation to calculate the galaxies' Spectral Energy Distributions (SEDs) using different approaches, including radiative transfer techniques. Comparing the direct results of the simulations with the quantities obtained applying observational techniques to these synthetic SEDs, we are able to make an analysis of the biases intrinsic in the observational algorithms, and quantify their accuracy in recovering the galaxies' properties, as well as estimating the uncertainties affecting a comparison between simulations and observations when different approaches to obtain the observables are followed. Our results show that for some quantities such as the stellar ages, metallicities and gas oxygen abundances large differences can appear, depending on the technique applied in the derivation. In a second work we compare a set of fifteen galaxies similar in mass to the Milky Way and with a quiet merger history in the recent past (hence expected to have properties close to spiral galaxies), simulated in a cosmological context, with data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). We use techniques to obtain the observables as similar as possible to the ones applied in SDSS, with the aim of making an unbiased comparison between our set of hydrodynamical simulations and SDSS observations. We quantify the differences in the physical properties when these are obtained directly from the simulations without post-processing, or mimicking the SDSS observational techniques. We fit linear relations between the values derived directly from the simulations and following SDSS observational procedures, which in most of the cases have relatively high correlation, that can be easily used to more reliably compare simulations with SDSS data. When mimicking SDSS techniques, these simulated galaxies are photometrically similar to galaxies in the SDSS blue sequence/green valley, but have in general older ages, lower SFRs and metallicities compared to the majority of the spirals in the observational dataset. In a third work, we post-process hydrodynamical simulations of galaxies with radiative transfer techniques, to generate synthetic data that mimic the properties of the CALIFA Integral Field Spectroscopy (IFS) survey. We reproduce the main characteristics of the CALIFA observations in terms of field of view and spaxel physical size, data format, point spread functions and detector noise. This 3-dimensional dataset is suited to be analyzed by the same algorithms applied to the CALIFA dataset, and can be used as a tool to test the ability of the observational algorithms in recovering the properties of the CALIFA galaxies. To this purpose, we also generate the resolved maps of the simulations' properties, calculated directly from the hydrodynamical snapshots, or from the simulated spectra prior to the addition of the noise. Our work shows that a reliable connection between the models and the data is of crucial importance both to judge the output of galaxy formation codes and to accurately test the observational algorithms used in the analysis of galaxy surveys' data. A correct interpretation of observations will be particularly important in the future, in light of the several ongoing and planned large galaxy surveys that will provide the community with large datasets of properties of galaxies (often spatially-resolved) at different cosmic times, allowing to study galaxy formation physics at a higher level of detail than ever before. We have shown that neglecting the observational biases in the comparison between simulations and an observational dataset may move the simulations to different regions in the planes of the observables, strongly affecting the assessment of the correctness of the sub-resolution physical models implemented in galaxy formation codes, as well as the interpretation of given observational results using simulations. N2 - Beobachtende und computergestütze extragalaktische Astrophysik sind zwei Forschugnsbereiche welche ein ähnliches Gebiet in unterschiedlichen Perspektiven untersuchen. Beobachtende extragalaktische Astrophysik hat das Ziel verlässlich die Eigenschaften bei verschiedenen kosmischen Zeiten und bei einer großen Vielzahl von Umgebungen, durch das Betrachten der spektralen Energieverteilung der Galaxien, zu vermessen. Auf der anderen Seite sind hydrodynamische Simulationen im kosmologischen Kontext in der Lage die Entstehung und zeitliche Entwicklung einer Galaxie zu verfolgen, in dem unterschiedliche physikalische Prozesse einbezogen werden. Aufgrund der großen Fortschritte beider Forschungsbereiche sind heutzutage große Datenbanken mit Spektren und photometrische Informationen für eine große Menge von Galaxien bei verschiedenen kosmischen Zeiten verfügbar. Zur gleichen Zeit sind wir in der Lage die Entstehung und Entwicklung von Galaxien realistisch zu simulieren, unter Berücksichtigung der wichtigsten physikalischen Prozesse. Da diese Ansätze grundlegend verschieden sind, ist die Verbindung von Simulationen und Beobachtungen nicht komplett hergestellt, obwohl Simulationen oft zur Interpretation von Beobachtungen genutzt werden und Simulationen durch den Vergleich mit Beobachtungen getestet werden. Das Ziel dieser Dissertation ist die bessere Verknüpfung von Simulationen und Beobachtungen durch die Verwendung der Methoden und Ergebnisse der einen Methode, zur Validierung der anderen und umgekehrt. In einer ersten Arbeit untersuchen wir die systematischen Effekte bei der Vermessung der Eigenschaften von Galaxien in Beobachtungen. Indem wir direkt Simulationen mit syntetischen Daten vergleichen, ist es uns möglich die systematischen Effekte der Beobachtungsalgorithmen zu untersuchen und ihre Genauigkeit bei der Untersuchung der Eigenschaften der Galaxien zu bestimmen. Unsere Ergebnisse ziegen, dass für einige Messgrößen große Unterschiede auftreten können. In einer zweiten Arbeit vergleichen wir 15 simulierte Spiralgalaxien mit ähnlicher Masse wie der Milchstraße mit Daten vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dabei verwenden wir die gleichen Methoden, welche bei SDSS verwendet werden, um möglischest unvoreingenommen zwischen hydrodynamischen Simulationen und SDSS Daten zu vergleichen. Wenn wir die Beobachtungsmethoden von SDSS nachahmen, sind die simulierten Galaxien den SDSS Galaxien der blauen Sequenz in der Photometrie ähnlich, aber haben generell höheres Alter, geringere Sternentstehungsrate und Metalizität. In einer dritten Arbeit bearbeiten wir hydrodynamische Simulationen von Galaxien mit Strahlungstransportalgorithmen um synthetische Daten des CALIFA Integralfeldspektroskopie Surveys (IFS) zu erzeugen. Wir reproduzieren die Hauptcharakteristika der CALIFA-Beobachtungen in Bezug auf Sichtfeld, Spaxelgröße, Datenformat, Punktspreizfunktion und Detektorrauschen. Dieser dreidimensionale Datensatz is geeignet, um mit den selben Techniken analysiert zu werden, wie die CALIFA-Daten und können als Mittel genutzt werden, um die Genauigkeit der Beobachtungsalgorithmen zu testen. Zu diesem Zweck erzeugen wir räumlich aufgelöste Eigenschaften der Simulationen, welche direkt von den Aufnahmen der hydrodynamischen Simulationen oder synthetischen Spektren ohne Rauschen berechnet werden. Unsere Arbeit zeigt, dass die verlässliche Verknüpfung von Modellen und Daten von entscheidender Wichtigkeit ist ist, um die Ergebnisse der Galaxieformationssimulationen zu beurteilen und akurat die Beobachtungsalgorithmen zu testen, welche bei der Analyse der Galaxiesurveydaten benutzt werden. Eine korrekte Interpretation der Beobachtungen wird im Hinblick auf die vielen fortlaufenden und geplanten Galaxiesurveys, welche den Wissenschaftern große Datenmengen der Eigenschaften der Galaxien bei unterschiedlichen Zeiten zur Verfügung stellen werden, besonders wichtig in der Zukunft, da dies eine genauere Untersuchung der Physik der Galaxieformationen auf einem Niveau, höher als je zuvor, ermöglichen wird. Außerdem haben wir gezeigt, dass bei dem Vergleichen zwischen Beobachtungen und Simulationen der Bias der Beobachtungen nicht vernachlässigbar ist und die Beurteilung der Korrekturen der physikalischen Modelle, welche in en Galaxieformationscodes implementiert ist, stark beeinflusst, als auch die Interpretation der gegebenen Ergebnisse der Beobachtungen bei Verwendung von Simulationen. KW - galaxy formation KW - galaxy evolution KW - cosmological simulations KW - numerical techniques KW - mock observations KW - Entstehung von Galaxien KW - Entwicklung von Galaxien KW - kosmologische Simulationen KW - numerische Methoden KW - synthetische Beobachtungen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396876 ER - TY - THES A1 - Robaina Estevez, Semidan T1 - Context-specific metabolic predictions T1 - Kontextspezifische metabolische Vorhersagen BT - computational methods and applications BT - Berechnungsmethoden und Anwendungen N2 - All life-sustaining processes are ultimately driven by thousands of biochemical reactions occurring in the cells: the metabolism. These reactions form an intricate network which produces all required chemical compounds, i.e., metabolites, from a set of input molecules. Cells regulate the activity through metabolic reactions in a context-specific way; only reactions that are required in a cellular context, e.g., cell type, developmental stage or environmental condition, are usually active, while the rest remain inactive. The context-specificity of metabolism can be captured by several kinds of experimental data, such as by gene and protein expression or metabolite profiles. In addition, these context-specific data can be assimilated into computational models of metabolism, which then provide context-specific metabolic predictions. This thesis is composed of three individual studies focussing on context-specific experimental data integration into computational models of metabolism. The first study presents an optimization-based method to obtain context-specific metabolic predictions, and offers the advantage of being fully automated, i.e., free of user defined parameters. The second study explores the effects of alternative optimal solutions arising during the generation of context-specific metabolic predictions. These alternative optimal solutions are metabolic model predictions that represent equally well the integrated data, but that can markedly differ. This study proposes algorithms to analyze the space of alternative solutions, as well as some ways to cope with their impact in the predictions. Finally, the third study investigates the metabolic specialization of the guard cells of the plant Arabidopsis thaliana, and compares it with that of a different cell type, the mesophyll cells. To this end, the computational methods developed in this thesis are applied to obtain metabolic predictions specific to guard cell and mesophyll cells. These cell-specific predictions are then compared to explore the differences in metabolic activity between the two cell types. In addition, the effects of alternative optima are taken into consideration when comparing the two cell types. The computational results indicate a major reorganization of the primary metabolism in guard cells. These results are supported by an independent 13C labelling experiment. N2 - Alle lebenserhaltenden Prozesse werden durch tausende biochemische Reaktionen in der Zelle bestimmt, welche den Metabolismus charakterisieren. Diese Reaktionen bilden ein komplexes Netzwerk, welches alle notwendigen chemischen Verbindungen, die sogenannten Metabolite, aus einer bestimmten Menge an Ausgangsmolekülen produziert Zellen regulieren ihren Stoffwechsel kontextspezifisch, dies bedeutet, dass nur Reaktionen die in einem zellulären Kontext, zum Beispiel Zelltyp, Entwicklungsstadium oder verschiedenen Umwelteinflüssen, benötigt werden auch tatsächlich aktiv sind. Die übrigen Reaktionen werden als inaktiv betrachtet. Die Kontextspezifität des Metabolismus kann durch verschiedene experimentelle Daten, wie Gen- und Proteinexpressionen oder Metabolitprofile erfasst werden. Zusätzlich können diese Daten in Computersimulationen des Metabolismus integriert werden, um kontextspezifische (metabolische) Vorhersagen zu treffen. Diese Doktorarbeit besteht aus drei unabhängigen Studien, welche die Integration von kontextspezifischen experimentellen Daten in Computersimulationen des Metabolismus thematisieren. Die erste Studie beschreibt ein Konzept, basierend auf einem mathematischen Optimierungsproblem, welches es erlaubt kontextspezifische, metabolische Vorhersagen zu treffen. Dabei bietet diese vollautomatische Methode den Vorteil vom Nutzer unabhängige Parameter, zu verwenden. Die zweite Studie untersucht den Einfluss von alternativen optimalen Lösungen, welche bei kontextspezifischen metabolischen Vorhersagen generiert werden. Diese alternativen Lösungen stellen metabolische Modellvorhersagen da, welche die integrierten Daten gleichgut wiederspiegeln, sich aber grundlegend voneinander unterscheiden können. Diese Studie zeigt verschiedene Ansätze alternativen Lösungen zu analysieren und ihren Einfluss auf die Vorhersagen zu berücksichtigen. Schlussendlich, untersucht die dritte Studie die metabolische Spezialisierung der Schließzellen in Arabidopsis thaliana und vergleicht diese mit einer weiteren Zellart, den Mesophyllzellen. Zu diesem Zweck wurden die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden angewandt um metabolische Vorhersagen speziell für Schließzellen und Mesophyllzellen zu erhalten. Anschließend wurden die zellspezifischen Vorhersagen auf Unterschiede in der metabolischen Aktivität der Zelltypen, unter Berücksichtigung des Effekt von alternativen Optima, untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen legen eine grundlegende Neuorganisation des Primärmetabolismus in Schließzellen verglichen mit Mesophyllzellen nahe. Diese Ergebnisse werden durch unabhängige 13C markierungs Experimente bestätigt. KW - systems biology KW - bioinformatics KW - metabolic networks KW - constraint-based modeling KW - data integration KW - Systemsbiologie KW - Bioinformatik KW - Stoffwechselnetze KW - Constraint-basierte Modellierung KW - Datenintegration Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401365 ER - TY - THES A1 - Danken, Thomas T1 - Coordination of wicked problems T1 - Koordination vertrackter Probleme BT - comparing inter-departmental coordination of demographic change policies in five German states BT - Vergleich interministerieller Koordination der Demografiepolitik in fünf ostdeutschen Ländern N2 - The thesis focuses on the inter-departmental coordination of adaptation and mitigation of demographic change in East Germany. All Eastern German States (Länder) have set up inter-departmental committees (IDCs) that are expected to deliver joint strategies to tackle demographic change. IDCs provide an organizational setting for potential positive coordination, i.e. a joint approach to problem solving that pools and utilizes the expertise of many departments in a constructive manner from the very beginning. Whether they actually achieve positive coordination is contested within the academic debate. This motivates the first research question of this thesis: Do IDCs achieve positive coordination? Interdepartmental committees and their role in horizontal coordination within the core executive triggered interest among scholars already more than fifty years ago. However, we don’t know much about their actual importance for the inter-departmental preparation of cross-cutting policies. Until now, few studies can be found that analyzes inter-departmental committees in a comparative way trying to identify whether they achieve positive coordination and what factors shape the coordination process and output of IDCs. Each IDC has a chair organization that is responsible for managing the interactions within the IDCs. The chair organization is important, because it organizes and structures the overall process of coordination in the IDC. Consequently, the chair of an IDC serves as the main boundary-spanner and therefore has remarkable influence by arranging meetings and the work schedule or by distributing internal roles. Interestingly, in the German context we find two organizational approaches: while some states decided to put a line department (e.g. Department of Infrastructure) in charge of managing the IDC, others rely on the State Chancelleries, i.e. the center of government. This situation allows for comparative research design that can address the role of the State Chancellery in inter-departmental coordination of cross-cutting policies. This is relevant, because the role of the center is crucial when studying coordination within central government. The academic debate on the center of government in the German politico-administrative system is essentially divided into two camps. One camp claims that the center can improve horizontal coordination and steer cross-cutting policy-making more effectively, while the other camp points to limits to central coordination due to departmental autonomy. This debate motivates the second research question of this thesis: Does the State Chancellery as chair organization achieve positive coordination in IDCs? The center of government and its role in the German politic-administrative system has attracted academic attention already in the 1960s and 1970s. There is a research desiderate regarding the center’s role during the inter-departmental coordination process. There are only few studies that explicitly analyze centers of government and their role in coordination of cross-cutting policies, although some single case studies have been published. This gap in the academic debate will be addressed by the answer to the second research question. The dependent variable of this study is the chair organization of IDCs. The value of this variable is dichotomous: either an IDC is chaired by a Line department or by a State Chancellery. We are interested whether this variable has an effect on two dependent variables. First, we will analyze the coordination process, i.e. interaction among bureaucrats within the IDC. Second, the focus of this thesis will be on the coordination result, i.e. the demography strategies that are produced by the respective IDCs. In terms of the methodological approach, this thesis applies a comparative case study design based on a most-similar-systems logic. The German Federalism is quite suitable for such designs. Since the institutional framework largely is the same across all states, individual variables and their effect can be isolated and plausibly analyzed. To further control for potential intervening variables, we will limit our case selection to states located in East Germany, because the demographic situation is most problematic in the Eastern part of Germany, i.e. there is a equal problem pressure. Consequently, we will analyze five cases: Thuringia, Saxony-Anhalt (line department) and Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern and Saxony (State Chancellery). There is no grand coordination theory that is ready to be applied to our case studies. Therefore, we need to tailor our own approach. Our assumption is that the individual chair organization has an effect on the coordination process and output of IDCs, although all cases are embedded in the same institutional setting, i.e. the German politico-administrative system. Therefore, we need an analytical approach than incorporates institutionalist and agency-based arguments. Therefore, this thesis will utilize Actor-Centered Institutionalism (ACI). Broadly speaking, ACI conceptualizes actors’ behavior as influenced - but not fully determined - by institutions. Since ACI is rather abstract we need to adapt it for the purpose of this thesis. Line Departments and State Chancelleries will be modeled as distinct actors with different action orientations and capabilities to steer the coordination process. However, their action is embedded within the institutional context of governments, which we will conceptualize as being comprised of regulative (formal rules) and normative (social norms) elements. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit interministerieller Koordination der Demografiepolitik in ostdeutschen Ländern. Alle ostdeutschen Länder haben interministerielle Arbeitsgruppen (IMAGs) eingerichtet, die von der jeweiligen Landesregierung beauftragt wurden, ressortübergreifende Strategien zur Bewältigung der Folgen des demografischen Wandels zu erarbeiten. IMAGs bieten potentiell einen organisatorischen Rahmen für das Gelingen positiver Koordination, also der ressortübergreifenden Bearbeitung interdependenter Problemstellungen. Ob sie jedoch tatsächlich positive Koordination herbeiführen, ist innerhalb der akademischen Debatte umstritten, was die Motivation für die erste Forschungsfrage darstellt: Führen IMAGs zu positiver Koordination? IMAGs haben bereits vor fünfzig Jahren akademische Aufmerksamkeit erregt. Dennoch ist über ihren Beitrag zur Vorbereitung ressortübergreifender Programme kaum etwas bekannt. Bislang haben nur wenige Arbeiten IMAGs in vergleichender Perspektive behandelt. Somit fehlt es an Wissen zu Determinanten des Koordinationsprozesses und –ergebnisses interministerieller Arbeitsgruppen. Jeweils einer Organisation obliegt die Federführung für die jeweilige IMAG. Die federführende Einheit kann erheblichen Einfluss ausüben, da sie den Koordinationsprozess strukturiert und organisiert. Interessanterweise haben die ostdeutschen Bundesländer zwei unterschiedliche organisatorische Modelle gewählt: Entweder obliegt die Federführung der entsprechenden IMAG einem Fachministerien oder der Staatskanzlei des entsprechenden Landes. Diese Situation erlaubt ein vergleichendes Untersuchungsdesign, das die Rolle von Staatskanzleien im Prozess ressortübergreifender Politikformulierung im politisch-administrativen System Deutschlands zu untersuchen erlaubt. Die akademische Debatte im Hinblick darauf lässt sich etwas zugespitzt in zwei Lager teilen: Während das erste Lager argumentiert, die Regierungszentrale könne horizontale Koordination verbessern und zur effektiveren Steuerung ressortübergreifenden Politikformulierung beitragen, rekurriert das zweite Lager auf die Dominanz des verfassungsrechtlichen Ressortprinzip und geht von einer klaren Begrenzung der Steuerungskapazität von Regierungszentralen aus. Dies motiviert die zweite Forschungsfrage der vorliegenden Arbeit: Erreicht Federführung durch Staatskanzleien positive Koordination in IMAGs? Obwohl die Regierungszentrale schon frühzeitig Gegenstand verwaltungs- und politikwissenschaftlicher Forschung war, finden sich kaum Arbeiten, die explizit die Rolle von Staatskanzlei im Prozess der Formulierung ressortübergreifender Programme thematisieren. Die unabhängige Variable dieser Untersuchung ist die federführende Organisation einer IMAG (Staatskanzlei oder Fachministerium). Die abhängigen Variablen sind einerseits der Koordinationsprozess innerhalb von IMAGs als auch das entsprechende Koordinationsergebnis in Form ressortübergreifender Strategien zur Bewältigung des demografischen Wandels. Das Untersuchungsdesign entspricht einem most-similar-systems Ansatz. So finden sich in allen untersuchten Fällen Koalitionsregierungen, ein ähnlicher Problemdruck in Hinblick auf demografische Entwicklungen sowie ein nahezu identischer institutionelle Rahmen für Koordination. Der Einfluss der unabhängigen auf die abhängigen Variablen kann damit plausiblen isoliert werden. Die Studie untersucht IMAGs in den Ländern Thüringen, Sachsen-Anhalt (Federführung bei einem Fachministerium), Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Sachsen (Federführung bei der Staatskanzlei). Die Arbeit nutzt den akteurszentrierten Institutionalismus als analytischen Rahmen. Dieser erlaubt Koordinationsprozesse sowohl in Hinblick auf ihre institutionelle Einbettung zu untersuchen, die Rolle intentional handelnder Akteure mit unterschiedlichen Handlungsorientierungen und -möglichkeiten aus dem Blick zu verlieren. KW - coordination KW - wicked problems KW - demographic change KW - interdepartmental committee KW - Germany KW - Koordination KW - vertrackte Probleme KW - demografischer Wandel KW - interministerielle Arbeitsgruppe KW - Deutschland Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396766 ER - TY - THES A1 - Leigh Wojno, Jennifer T1 - Correlations between kinematics, chemistry, and ages of stars in the solar neighbourhood as seen by the RAVE survey Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Mühlenhoff, Judith T1 - Culture-driven innovation BT - acknowledging culture as a knowledge source for innovation N2 - This cumulative dissertation deals with the potential of underexplored cultural sources for innovation. Nowadays, firms recognize an increasing demand for innovation to keep pace with an ever-growing dynamic worldwide competition. Knowledge is one of the most crucial sources and resource, while until now innovation has been foremost driven by technology. But since the last years, we have been witnessing a change from technology's role as a driver of innovation to an enabler of innovation. Innovative products and services increasingly differentiate through emotional qualities and user experience. These experiences are hard to grasp and require alignment in innovation management theory and practice. This work cares about culture in a broader matter as a source for innovation. It investigates the requirements and fundamentals for "culture-driven innovation" by studying where and how to unlock cultural sources. The research questions are the following: What are cultural sources for knowledge and innovation? Where can one find cultural sources and how to tap into them? The dissertation starts with an overview of its central terms and introduces cultural theories as an overarching frame to study cultural sources for innovation systematically. Here, knowledge is not understood as something an organization owns like a material resource, but it is seen as something created and taking place in practices. Such a practice theoretical lens inheres the rejection of the traditional economic depiction of the rational Homo Oeconomicus. Nevertheless, it also rejects the idea of the Homo Sociologicus about the strong impact of society and its values on individual actions. Practice theory approaches take account of both concepts by underscoring the dualism of individual (agency, micro-level) and structure (society, macro-level). Following this, organizations are no enclosed entities but embedded within their socio-cultural environment, which shapes them and is also shaped by them. Then, the first article of this dissertation acknowledges a methodological stance of this dualism by discussing how mixed methods support an integrated approach to study the micro- and macro-level. The article focuses on networks (thus communities) as a central research unit within studies of entrepreneurship and innovation. The second article contains a network analysis and depicts communities as central loci for cultural sources and knowledge. With data from the platform Meetup.com about events etc., the study explores which overarching communities and themes have been evolved in Berlin's start up and tech scene. While the latter study was about where to find new cultural sources, the last article addresses how to unlock such knowledge sources. It develops the concept of a cultural absorptive capacity, that is the capability of organizations to open up towards cultural sources. Furthermore, the article points to the role of knowledge intermediaries in the early phases of knowledge acquisition. Two case studies on companies working with artists illustrate the roles of such intermediaries and how they support firms to gain knowledge from cultural sources. Overall, this dissertation contributes to a better understanding of culture as a source for innovation from a theoretical, methodological, and practitioners' point of view. It provides basic research to unlock the potential of such new knowledge sources for companies - sources that so far have been neglected in innovation management. N2 - Diese kumulative Dissertation beschäftigt sich mit dem Potenzial von bisher wenig untersuchten kulturellen Quellen für Innovation. Firmen erleben heutzutage einen ansteigenden Bedarf nach Innovationen um in einer immer dynamisch werdenden Welt im Wettbewerb nicht zurückzufallen. Wissen gehört hierbei zu einer der zentralen Quelle und Ressource, wobei das Wissen um Innovationen bisher meistens stark durch den Einfluss von Technik geprägt wurde. Jedoch können wir in den letzten Jahren vermehrt beobachten, wie Technik als Treiber von Innovationen zurückgeht und eher die Rolle eines Gehilfen übernimmt. Innovative Produkte und Services differenzieren sich zunehmend über emotionale und über Erfahrungsqualitäten. Diese Nutzungserfahrungen sind schwer zu fassen und erfordern Anpassungen im bisherigen Management von Innovationen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kultur im weitest gehenden Sinne als Quelle für Innovationen. Sie behandelt die Voraussetzungen und Grundlagen für "Culture-Driven Innovation" indem darauf eingegangen wird wo und wie kulturelle Quellen erschlossen werden können. Die Forschungsfragen lauten: Was sind kulturelle Quellen für Wissen und Innovation? Wo kann man diese Quellen finden und wie sie sich erschließen? Dafür beginnt die Arbeit mit einem Überblick zu den wesentlichen Begriffen des Promotionsthemas und führt Kulturtheorien als übergreifende Klammer ein, von denen kulturelle Quellen für Innovationen systematisch betrachtet werden können. Wissen wird hierbei nicht als etwas gesehen, das eine Organisation besitzen kann wie eine materielle Ressource, sondern als etwas, das erst in Praktiken erlebbar und geniert wird. Solch einer praxistheoretischen Sichtweise innewohnend ist die Ablehnung klassischer wirtschaftswissenschaftlicher Vorstellungen eines rational agierenden Homo Oeconomicus. Auf der anderen Seite lehnt sie aber auch die Idee eines Homo Sociologicus ab, in dem das Handeln des Einzelnen hauptsächlich von der Gesellschaft und ihren Werten geprägt wird. Praxistheoretische Ansätze positionieren sich dazwischen indem sie den Dualismus von Individuum (Akteur, Mikro-Ebene) und Struktur (Gesellschaft, Makro-Ebene) betont. Organisationen sind demnach keine in sich geschlossene Einheiten, sondern eingebettet in ihre sozio-kulturelle Umwelt, die sie prägt und die sie gleichzeitig wiederum mitprägen. Im Folgenden widmet sich der erste Artikel einer methodischen Betrachtung dieses Dualismus' indem erörtert wird, wie Mixed Methods helfen Mikro-Ebene und Makro-Ebene integriert erforschen zu können. Dabei konzentriert sich der Artikel auf Netzwerke (und somit auch Communities) als zentrale Untersuchungseinheit von Entrepreneurship- und Innovationsforschung. Der zweite Artikel der Dissertation beinhaltet eine Netzwerkanalyse und widmet sich Communities als zentralen Ort für kulturelle Quellen und Wissen. An Hand der Daten der Plattform Meetup.com zu Veranstaltungen etc., untersucht die Studie welche übergreifenden Communities und welche Themen sich in Berlin's Start Up- und Tech-Szene gebildet haben. Nachdem dieser Beitrag sich der Frage widmet wo neue kulturelle Wissensquellen entdeckt werden können, geht der letzte Beitrag der vorliegenden Doktorarbeit der Frage nach, wie solches Wissen erschlossen werden kann. In dem Artikel wird die Idee einer Cultural Absorptive Capacity entwickelt, also der Fähigkeit von Organisationen sich gegenüber kulturellen Quellen zu öffnen, und die Rolle von Wissensvermittlern in der frühen Phase von Wissenserschließung betont. In zwei Fallstudien über Firmen, die mit Künstlern zusammenarbeiten, wird aufgezeigt, welche Rollen solche Vermittler übernehmen können und wie sie Unternehmen dabei helfen, Wissen aus kulturellen Quellen zu nutzen. Insgesamt trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis von Kultur als Quelle für Innovationen auf theoretischer, methodischer und praktischer Ebene bei. Sie leistet damit Grundlagenarbeit um das Potenzial solcher neuen Wissensquellen für Unternehmen zu erschließen da diese bisher im Innovationsmanagement vernachlässigt wurden. KW - innovation management KW - Innovationsmanagement KW - culture KW - Kultur KW - intermediaries KW - knowledge KW - Wissen KW - networks KW - Netzwerke KW - mixed methods KW - communities KW - entrepreneurship KW - absorptive capacity Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104626 ER - TY - THES A1 - Jordan, Thomas T1 - CxNy-materials from supramolecular precursors for “All-Carbon” composite materials T1 - CxNy-Materialien aus supramolekularen Precursoren für „All-Carbon“-Komposit-Materialien N2 - Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units. In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction. The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process. In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments. The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂. Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications. N2 - Eine interessante Materialklasse für technologische Anwendungen sind Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien, die sich durch Ungiftigkeit und Umweltfreundlichkeit bei gleichzeitig interessanten katalytischen Eigenschaften auszeichnen. Die Vielseitigkeit dieser Materialkasse basiert auf der Möglichkeit ihre katalytischen und elektronischen Eigenschaften über Stickstoff-Anteil und –Funktionalitäten zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf Komposite zwischen verschiedenen Kohlenstoff/Stickstoff-Derivaten, für welche aufgrund ihrer unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften die Bildung elektronischer Heteroübergänge erwartet werden kann. Solche Komposite sind vielversprechende Materialien für die Erzeugung von Wasserstoff durch die photokatalytische Spaltung von Wasser. Für die eine Komponente des Komposits wurde das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ eingesetzt, welches durch seine elektronische Struktur und Stabilität ein geeignetes Material für die photokatalytische Wasserspaltung ist. Für die andere Komponente des Komposits wurde eine erst kürzlich erstmalig beschriebene Kohlenstoff/Stickstoff Verbindung eingesetzt, das Kohlenstoffnitrid C₂N. Für dieses Komposit ist eine im Vergleich zu den einzelnen Komponenten stark erhöhte photokatalytische Aktivität zu erwarten. Neben dem Ziel der Herstellung eines solchen Komposits, fokussierte sich diese Arbeit auch darauf, neue Wege zur Synthese und Strukturierung der einzelnen Komponenten zu entwickeln. Dies sollte über supramolekulare Präkursor-Komplexe erfolgen, mit welchen eine erhöhte Einflussnahme auf Karbonisierungsprozesse erlangt werden kann. Im ersten Teil der Arbeit, welcher auf das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ fokussiert war, wurde gezeigt wie die photokatalytische Aktivität dieser Komponente durch den gezielten Einbau von Defekten erhöht werden kann. Dies wurde über einen durch Koffein modifizierten supramolekularen Komplex als Präkursor erreicht. Die erhöhte photokatalytische Aktivität wurde über Farbstoff-Zersetzung nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit war auf die Herstellung und Strukturierung der neuartigen Verbindung C₂N fokussiert. Hier wurde gezeigt, wie eine eutektische Mischung zwischen Hexaketocyclohexan und Harnstoff als C₂N-Präkursor mit dem Polysaccharid Chitosan strukturiert werden kann. Hierbei wurden poröse Stickstoffhaltige Kohlenstoff-Monolithen und -Perlen erhalten, die eine hohe Adsorptionswärme für die CO₂-Adsorption zeigten. Weiterhin wurde ein neuartiger Präkursor für C₂N vorgestellt, eine organisch-kristalline Verbindung zwischen Quadratsäure und Harnstoff. Durch Karbonisation dieser Verbindung bei 550 °C wurde ein Material mit einer Zusammensetzung von C₂N und einer ungewöhnlichen, schichtartigen Morphologie erhalten. Über eine eutektische Salzschmelze mit Zinkchlorid, konnte mit diesem Präkursor-System auch mikroporöser C₂N-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 865 m²/g hergestellt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Herstellung des g-C₃N₄/C₂N-Komposits versucht, über die Selbstassemblierung von kolloidal dispergierten g-C₃N₄- und C₂N-Nanopartikeln. Die Nanopartikel wurden über Ultraschall-Behandlungen von Dispersionen dieser Komponenten hergestellt. Die erhaltenen Komposite zeigten eine hohe Aktivität zur photokatalytischen Wasserspaltung, wobei dies eher auf die hohe Oberfläche der Nanopartikel als auf ihre Zusammensetzung zurückgeführt wurde. Im Hinblick auf mögliche Alternativen zur Kompositherstellung, wurden erste Experimente zu höher konzentrierten kolloidalen Dispersionen von C₂N in dem organischen Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon durchgeführt. Zusammenfassend, die Ergebnisse die in dieser Arbeit erhalten wurden, liefern einen wertvollen Beitrag zur Synthese und Strukturierung von Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien sowie deren Anwendungen im Bereich alternative Energien. KW - carbon nitrides KW - supramolecular chemistry KW - porous materials KW - composite materials KW - photocatalysis KW - Kohlenstoffnitride KW - supramolekulare Chemie KW - poröse Materialien KW - Komposite KW - Photokatalyse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398855 ER - TY - THES A1 - Papenbrock, Thorsten T1 - Data profiling - efficient discovery of dependencies T1 - Profilerstellung für Daten - Effiziente Entdeckung von Abhängigkeiten N2 - Data profiling is the computer science discipline of analyzing a given dataset for its metadata. The types of metadata range from basic statistics, such as tuple counts, column aggregations, and value distributions, to much more complex structures, in particular inclusion dependencies (INDs), unique column combinations (UCCs), and functional dependencies (FDs). If present, these statistics and structures serve to efficiently store, query, change, and understand the data. Most datasets, however, do not provide their metadata explicitly so that data scientists need to profile them. While basic statistics are relatively easy to calculate, more complex structures present difficult, mostly NP-complete discovery tasks; even with good domain knowledge, it is hardly possible to detect them manually. Therefore, various profiling algorithms have been developed to automate the discovery. None of them, however, can process datasets of typical real-world size, because their resource consumptions and/or execution times exceed effective limits. In this thesis, we propose novel profiling algorithms that automatically discover the three most popular types of complex metadata, namely INDs, UCCs, and FDs, which all describe different kinds of key dependencies. The task is to extract all valid occurrences from a given relational instance. The three algorithms build upon known techniques from related work and complement them with algorithmic paradigms, such as divide & conquer, hybrid search, progressivity, memory sensitivity, parallelization, and additional pruning to greatly improve upon current limitations. Our experiments show that the proposed algorithms are orders of magnitude faster than related work. They are, in particular, now able to process datasets of real-world, i.e., multiple gigabytes size with reasonable memory and time consumption. Due to the importance of data profiling in practice, industry has built various profiling tools to support data scientists in their quest for metadata. These tools provide good support for basic statistics and they are also able to validate individual dependencies, but they lack real discovery features even though some fundamental discovery techniques are known for more than 15 years. To close this gap, we developed Metanome, an extensible profiling platform that incorporates not only our own algorithms but also many further algorithms from other researchers. With Metanome, we make our research accessible to all data scientists and IT-professionals that are tasked with data profiling. Besides the actual metadata discovery, the platform also offers support for the ranking and visualization of metadata result sets. Being able to discover the entire set of syntactically valid metadata naturally introduces the subsequent task of extracting only the semantically meaningful parts. This is challenge, because the complete metadata results are surprisingly large (sometimes larger than the datasets itself) and judging their use case dependent semantic relevance is difficult. To show that the completeness of these metadata sets is extremely valuable for their usage, we finally exemplify the efficient processing and effective assessment of functional dependencies for the use case of schema normalization. N2 - Data Profiling ist eine Disziplin der Informatik, die sich mit der Analyse von Datensätzen auf deren Metadaten beschäftigt. Die verschiedenen Typen von Metadaten reichen von einfachen Statistiken wie Tupelzahlen, Spaltenaggregationen und Wertverteilungen bis hin zu weit komplexeren Strukturen, insbesondere Inklusionsabhängigkeiten (INDs), eindeutige Spaltenkombinationen (UCCs) und funktionale Abhängigkeiten (FDs). Diese Statistiken und Strukturen dienen, sofern vorhanden, dazu die Daten effizient zu speichern, zu lesen, zu ändern und zu verstehen. Die meisten Datensätze stellen ihre Metadaten aber nicht explizit zur Verfügung, so dass Informatiker sie mittels Data Profiling bestimmen müssen. Während einfache Statistiken noch relativ schnell zu berechnen sind, stellen die komplexen Strukturen schwere, zumeist NP-vollständige Entdeckungsaufgaben dar. Es ist daher auch mit gutem Domänenwissen in der Regel nicht möglich sie manuell zu entdecken. Aus diesem Grund wurden verschiedenste Profiling Algorithmen entwickelt, die die Entdeckung automatisieren. Keiner dieser Algorithmen kann allerdings Datensätze von heutzutage typischer Größe verarbeiten, weil entweder der Ressourcenverbrauch oder die Rechenzeit effektive Grenzen überschreiten. In dieser Arbeit stellen wir neuartige Profiling Algorithmen vor, die automatisch die drei populärsten Typen komplexer Metadaten entdecken können, nämlich INDs, UCCs, und FDs, die alle unterschiedliche Formen von Schlüssel-Abhängigkeiten beschreiben. Die Aufgabe dieser Algorithmen ist es alle gültigen Vorkommen der drei Metadaten-Typen aus einer gegebenen relationalen Instanz zu extrahieren. Sie nutzen dazu bekannte Entdeckungstechniken aus verwandten Arbeiten und ergänzen diese um algorithmische Paradigmen wie Teile-und-Herrsche, hybrides Suchen, Progressivität, Speichersensibilität, Parallelisierung und zusätzliche Streichungsregeln. Unsere Experimente zeigen, dass die vorgeschlagenen Algorithmen mit den neuen Techniken nicht nur um Größenordnungen schneller sind als alle verwandten Arbeiten, sie erweitern auch aktuelle Beschränkungen deutlich. Sie können insbesondere nun Datensätze realer Größe, d.h. mehrerer Gigabyte Größe mit vernünftigem Speicher- und Zeitverbrauch verarbeiten. Aufgrund der praktischen Relevanz von Data Profiling hat die Industrie verschiedene Profiling Werkzeuge entwickelt, die Informatiker in ihrer Suche nach Metadaten unterstützen sollen. Diese Werkzeuge bieten eine gute Unterstützung für die Berechnung einfacher Statistiken. Sie sind auch in der Lage einzelne Abhängigkeiten zu validieren, allerdings mangelt es ihnen an Funktionen zur echten Entdeckung von Metadaten, obwohl grundlegende Entdeckungstechniken schon mehr als 15 Jahre bekannt sind. Um diese Lücke zu schließen haben wir Metanome entwickelt, eine erweiterbare Profiling Plattform, die nicht nur unsere eigenen Algorithmen sondern auch viele weitere Algorithmen anderer Forscher integriert. Mit Metanome machen wir unsere Forschungsergebnisse für alle Informatiker und IT-Fachkräfte zugänglich, die ein modernes Data Profiling Werkzeug benötigen. Neben der tatsächlichen Metadaten-Entdeckung bietet die Plattform zusätzlich Unterstützung bei der Bewertung und Visualisierung gefundener Metadaten. Alle syntaktisch korrekten Metadaten effizient finden zu können führt natürlicherweise zur Folgeaufgabe daraus nur die semantisch bedeutsamen Teile zu extrahieren. Das ist eine Herausforderung, weil zum einen die Mengen der gefundenen Metadaten überraschenderweise groß sind (manchmal größer als der untersuchte Datensatz selbst) und zum anderen die Entscheidung über die Anwendungsfall-spezifische semantische Relevanz einzelner Metadaten-Aussagen schwierig ist. Um zu zeigen, dass die Vollständigkeit der Metadaten sehr wertvoll für ihre Nutzung ist, veranschaulichen wir die effiziente Verarbeitung und effektive Bewertung von funktionalen Abhängigkeiten am Anwendungsfall Schema Normalisierung. KW - data profiling KW - functional dependency KW - unique column combination KW - inclusion dependency KW - dependency KW - metanome KW - metadata KW - discovery KW - hybrid KW - divide-and-conquer KW - Profilerstellung für Daten KW - funktionale Abhängigkeit KW - eindeutige Spaltenkombination KW - Inklusionsabhängigkeit KW - Abhängigkeit KW - Metanome KW - Metadaten KW - Entdeckung KW - Hybrid KW - Teile und Herrsche Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406705 ER - TY - THES A1 - Ribeiro Martins, Renata Filipa T1 - Deciphering evolutionary histories of Southeast Asian Ungulates T1 - Entschlüsselung der Evolutionsgeschichte Südostasiatischer Huftiere BT - comparative phylogeography in a biodiversity hotspot BT - vergleichende Phylogeographie in einem Biodiversitaets-Hotspot N2 - Im Verlauf von Jahrmillionen gestalteten evolutionäre Kräfte die Verbreitung und genetische Variabilität von Arten, indem sie die Anpassungsfähigkeit und Überlebenswahrscheinlichkeit dieser Arten beeinflussten. Da Südostasien eine außerordentlich artenreiche Region darstellt, eignet sie sich besonders, um den Einfluss dieser Kräfte zu untersuchen. Historische Klimaveränderungen hatten dramatische Auswirkungen auf die Verfügbarkeit sowie die Verbreitung von Habitaten in Südostasien, weil hierdurch wiederholt das Festland mit sonst isolierten Inseln verbunden wurde. Dies beeinflusste nicht nur, wie Arten in dieser Region verbreitet sind, sondern ermöglichte auch eine zunehmende genetische Variabilität. Zwar ist es bekannt, dass Arten mit ähnlicher Evolutionsgeschichte unterschiedliche phylogeographische Muster aufweisen können. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch nur gering verstanden. Diese Dissertation behandelt die Phylogeographie von drei Gruppen von Huftieren, welche im Süden und Südosten Asiens vorkommen. Dabei war das vornehmliche Ziel, zu verstehen, wie es zur Ausbildung verschiedener Arten sowie zu einer regionalen Verteilung von genetischer Variabilität kam. Hierfür untersuchte ich die mitochondrialen Genome alter Proben. Dadurch war es möglich, Populationen des gesamten Verbreitungsgebietes der jeweiligen Arten zu untersuchen – auch solche Populationen, die heutzutage nicht mehr existieren. Entsprechend der einzelnen Huftiergruppen ist diese Arbeit in drei Kapitel unterteilt: Muntjaks (Muntiacus sp.), Hirsche der Gattung Rusa und asiatische Nashörner. Alle drei Gruppen weisen eine Aufteilung in unterschiedliche Linien auf, was jeweils direkt auf Ereignisse des Pleistozäns zurückgeführt werden kann. Muntjaks sind eine weit verbreitete Art, die in verschiedensten Habitaten vorkommen kann. Ich wies nach, dass es in der Vergangenheit zu genetischem Austausch zwischen Populationen von verschiedenen Inseln des Sundalandes kam. Dies deutet auf die Fähigkeit von Muntjaks hin, sich an die ehemaligen Landbrücken anzupassen. Jedoch zeige ich auch, dass mindestens zwei Hindernisse bei ihrer Verbreitung existierten, wodurch es zu einer Differenzierung von Populationen kam: eine Barriere trennte Populationen des asiatischen Festlands von denen der Sundainseln, die andere isolierte sri-lankische von restlichen Muntjaks. Die zwei untersuchten Rusa-Arten weisen ein anderes Muster auf, was wiederum eine weitere Folge der pleistozänen Landbrücken darstellt. Beide Arten sind ausschließlich monophyletisch. Allerdings gibt es Anzeichen für die Hybridisierung dieser Arten auf Java, was durch eine frühere Ausbreitung des sambar (R. unicolor) gefördert wurde. Aufgrund dessen fand ich zudem, dass all jene Individuen der anderen Art, R. timorensis, die durch den Menschen auf die östlichen Sundainseln gebracht wurden, in Wahrheit Hybride sind. Für den dritten Teil war es mir möglich, Proben von Vertretern ausgestorbener Populationen vom asiatischen Festland des Sumatra- und des Java-Nashorns (Dicerorhinus sumatrensis und Rhinoceros sondaicus) zu analysieren. Die Ergebnisse meiner Arbeit belegen, dass die genetische Vielfalt dieser historischen Populationen bedeutend größer war als die der heutigen Nachkommen. Ihre jeweilige Evolutionsgeschichte korreliert stark mit pleistozänen Prozessen. Außerdem betonen meine Ergebnisse das enorme Ausmaß von verlorener genetischer Diversität dieser stark bedrohten Arten. Jede Art besitzt eine individuelle phylogeographische Geschichte. Ebenso fand ich aber auch allgemeingültige Muster von genetischer Differenzierung in allen Gruppen, welche direkt mit Ereignissen des Pleistozäns assoziiert werden können. Vergleicht man jedoch die einzelnen Ergebnisse der Arten, wird deutlich, dass die gleichen geologischen Prozesse nicht zwangsläufig in gleiche evolutive Ergebnisse resultieren. Einer der Gründe hierfür könnte zum Beispiel die unterschiedliche Durchlässigkeit der entstandenen Landkorridore des Sundaschelfs sein. Die Möglichkeit diese neuen Habitate zu nutzen und somit auch zu passieren steht im direkten Bezug zu den spezifischen ökologischen Bedürfnissen der Arten.Zusammenfassend leisten meine Erkenntnisse einen wichtigen Beitrag, die Evolution und geographische Aufteilung der genetischen Vielfalt in diesem Hotspot an Biodiversität zu verstehen. Obendrein können sie aber auch Auswirkungen auf die Erhaltung und systematische Klassifikation der untersuchten Arten haben. N2 - During the course of millions of years, evolutionary forces have shaped the current distribution of species and their genetic variability, by influencing their phylogeny, adaptability and probability of survival. Southeast Asia is an extraordinary biodiverse region, where past climate events have resulted in dramatic changes in land availability and distribution of vegetation, resulting likewise in periodic connections between isolated islands and the mainland. These events have influenced the way species are distributed throughout this region but, more importantly, they influenced the genesis of genetic diversity. Despite the observation that a shared paleo-history resulted in very diverse species phylogeographic patterns, the mechanisms behind these patterns are still poorly understood. In this thesis, I investigated and contrasted the phylogeography of three groups of ungulate species distributed within South and Southeast Asia, aiming to understand what mechanisms have shaped speciation and geographical distribution of genetic variability. For that purpose, I analysed the mitogenomes of historical samples, in order to account for populations from the entire range of species distributions – including populations that no longer exist. This thesis is organized in three manuscripts, which correspond to the three investigated groups: red muntjacs, Rusa deer and Asian rhinoceros. Red muntjacs are a widely distributed species and occur in very different habitats. We found evidence for gene-flow among populations of different islands, indicative of their ability to utilize the available land corridors. However, we described also the existence of at least two dispersal barriers that created population differentiation within this group; one isolated Sundaic and Mainland populations and the second separated individuals from Sri Lanka. Second, the two Rusa species investigated here revealed another consequence of the historical land connections. While the two species were monophyletic, we found evidence of hybridisation in Java, facilitated by the expansion of the widespread sambar, Rusa unicolor. Consequently, I found that all the individuals of Javan deer, R. timorensis which were transported to the east of Sundaland by humans, to be of hybrid descent. In the last manuscript, we were able to include samples from the extinct mainland populations of both Sumatran and Javan rhinoceros. The results revealed a much higher genetic diversity of the historical populations than ever reported for the contemporaneous survivors. Their evolutionary histories revealed a close relationship to climatic events of the Pleistocene but, more importantly, point out the vast extent of genetic erosion within these two endangered species. The specific phylogeographic history of the species showed some common patters of genetic differentiation that could be directly linked to the climatic and geological changes on the Sunda Shelf during the Pleistocene. However, by contrasting these results I discussed that the same geological events did not always result in similar histories. One obvious example was the different permeability of the land corridors of Sundaland, as the ability of each species to utilize this newly available land was directly related to their specific ecological requirements. Taken together, these results have an important contribution to the general understanding of evolution in this biodiversity hotspot and the main drivers shaping the distribution of genetic diversity, but could also have important consequences for taxonomy and conservation of the three investigated groups. KW - biogeography KW - Southeast Asia KW - ungulates KW - NGS KW - evolutionary history KW - Phylogeographie KW - Südostasien KW - Huftiere KW - Evolutionsgenetik Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404669 ER - TY - THES A1 - Kunstmann, Ruth Sonja T1 - Design of a high-affinity carbohydrate binding protein T1 - Design eines hoch-affin Kohlenhydrat-bindenden Proteins N2 - Kohlenhydrat-Protein Interaktionen sind in der Natur weitverbreitet. Sie stellen die Grundlage für viele biologische Prozesse dar, wie zum Beispiel Immunantworten, Wundheilung und Infektionsprozesse von pathogenen Viren oder Bakterien mit einem Wirt wie dem Menschen. Neben der Infektion von Menschen können aber auch Bakterien selbst durch so genannte Bakteriophagen infiziert werden, welche für den Menschen ungefährlich sind. Diese Infektion involviert die spezifische Erkennung der pathogenen Bakterien, die Vermehrung der Bakteriophagen und schließlich die Abtötung der Bakterien. Dabei können die Mechanismen der spezifischen Erkennung genutzt werden, pathogene Bakterien auf Lebensmitteln zu detektieren oder die Diagnose von Infektionen zu vereinfachen. Die spezifische Erkennung von Enteritis-erzeugenden Bakterien wie Escherichia coli, Salmonella spp. oder Shigella flexneri durch Bakteriophagen der Familie der Podoviridae erfolgt über die Bindung eines sogenannten tailspike proteins des Bakteriophagen an das aus Kohlenhydraten-bestehende O-Antigen des Lipopolysaccharids von Gram-negativen Bakterien. Das tailspike protein spaltet das O-Antigen um den Bakteriophage an die Oberfläche des Bakteriums zu führen, damit eine Infektion stattfinden kann. Die Affinität des tailspike proteins zum O-Antigen ist dabei sehr niedrig, um nach Spaltung des O-Antigens das Spaltungsprodukt zu lösen und wiederum neues Substrat zu binden. In dieser Arbeit wurde ein tailspike protein des Bakteriophagen Sf6 verwendet (Sf6 TSP), das spezifisch an das O-Antigen von Shigella flexneri Y bindet. Eine inaktive Variante des Sf6 TSP wurde verwendet um einen hoch-affin bindenden Sensor für pathogene Shigella zu entwickeln. Der Shigella-Sensor wurde durch Kopplung von unterschiedlichen Proteinmutanten mit einem fluoreszierendem Molekül erhalten. Dabei zeigte eine dieser Mutanten bei Bindung von Shigella O-Antigen ein Fluoreszenz-Signal im Bereich des sichtbaren Lichts. Molekulardynamische Simulationen wurde anhand der erzeugten Proteinmutanten als Methode zum rationalen Design von hoch-affin Kohlenhydrat-bindenden Proteinen getestet und die resultierenden Affinitätsvorhersagen wurden über Oberflächenplasmonresonanz-Experimente überprüft. Aus weiteren experimentellen und simulierten Daten konnten schließlich Schlussfolgerungen über die Ursprünge von Kohlenhydrat-Protein Interaktionen gezogen werden, die eine Einsicht über den Einfluss von Wasser in diesem Bindungsprozess lieferten. N2 - Carbohydrate-protein interactions are ubiquitous in nature. They provide the initial molecular contacts in many cell-cell processes as for example immune responses, signal transduction, egg fertilization and infection processes of pathogenic viruses and bacteria. Furthermore, bacteria themselves are infected by bacteriophages, viruses which can cause the bacterial lysis, but do not affect other hosts. The infection process of a bacteriophage involves the specific detection and binding of the bacterium, which can be based on a carbohydrate-protein interaction. The mechanism of specific detection of pathogenic bacteria can thereby be useful for the development of bacteria sensors in the food industry or for tools in diagnostics. Bacteriophages of the Podoviridae family use tailspike proteins for the specific detection of enteritis causing bacteria as Escherichia coli, Salmonella spp. or Shigella flexneri. The tailspike protein provides the first contact by binding to the carbohydrate containing O-antigen part of lipopolysaccharide in the Gram-negative cell wall. After binding to O-antigen repeating units, the enzymatic activity of tailspike proteins leads to cleavage of the carbohydrate chains, which enables the bacteriophage to approach the bacterial surface for DNA injection. Tailspike proteins thereby exhibit a relatively low affinity to the oligosaccharide structures of O-antigen due to the necessary binding, cleavage and release cycle, compared for example to antibodies. In this work it was aimed to study the determinants that influence carbohydrate affinity in the extended TSP binding grooves. This is a prerequisite to design a high-affinity tailspike protein based bacteria sensor. For this purpose the tailspike protein of the bacteriophage Sf6 (Sf6 TSP) was used, which specifically binds Shigella flexneri Y O-antigen with two tetrasaccharide repeating units at the intersubunits of the trimeric β-helix protein. The Sf6 TSP endorhamnosidase cleaves the O-antigen, which leads to an octasaccharide as the main product. The binding affinity of inactive Sf6 TSP towards polysaccharide was characterized by fluorescence titration experiments and surface plasmon resonance (SPR). Moreover, cysteine mutations were introduced into the Sf6 TSP binding site for the covalent thiol-coupling of an environment-sensitive fluorescent label to obtain a sensor for Shigella flexneri Y based on TSP-O-antigen recognition. This sensor showed a more than 100 % amplitude increase of a visible light fluorescence upon the binding of a polysaccharide test solution. Improvements of the TSP sensor can be achieved by increasing the tailspike affinity towards the O-antigen. Therefore molecular dynamics simulations evaluating ligand flexibility, hydrogen bond occupancies and water network distributions were used for affinity prediction on the available cysteine mutants of Sf6 TSP. The binding affinities were experimentally analyzed by SPR. This combined computational and experimental set-up for the design of a high-affinity carbohydrate binding protein could successfully distinguish strongly increased and decreased affinities of single amino acid mutants. A thermodynamically and structurally well characterized set of another tailspike protein HK620 TSP with high-affinity mutants was used to evaluate the influence of water molecules on binding affinity. The free enthalpy of HK620 TSP oligosaccharide complex formation thereby either derived from the replacement of a conserved water molecule or by immobilization of two water molecules upon ligand binding. Furthermore, the enthalpic and entropic contributions of water molecules in a hydrophobic binding pocket could be assigned by free energy calculations. The findings in this work can be helpful for the improvement of carbohydrate docking and carbohydrate binding protein engineering algorithms in the future. KW - Kohlenhydrat-Protein Interaction KW - carbohydrate-protein interaction KW - bacterial sensor KW - Bakterien Sensor Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403458 ER - TY - THES A1 - Hendriyana, Andri T1 - Detection and Kirchhoff-type migration of seismic events by use of a new characteristic function T1 - Detektion und Kirchhoff-Migration seismischer Ereignisse durch Verwendung einer neuen charakteristischen Funktion N2 - The classical method of seismic event localization is based on the picking of body wave arrivals, ray tracing and inversion of travel time data. Travel time picks with small uncertainties are required to produce reliable and accurate results with this kind of source localization. Hence recordings, with a low Signal-to-Noise Ratio (SNR) cannot be used in a travel time based inversion. Low SNR can be related with weak signals from distant and/or low magnitude sources as well as with a high level of ambient noise. Diffraction stacking is considered as an alternative seismic event localization method that enables also the processing of low SNR recordings by mean of stacking the amplitudes of seismograms along a travel time function. The location of seismic event and its origin time are determined based on the highest stacked amplitudes (coherency) of the image function. The method promotes an automatic processing since it does not need travel time picks as input data. However, applying diffraction stacking may require longer computation times if only limited computer resources are used. Furthermore, a simple diffraction stacking of recorded amplitudes could possibly fail to locate the seismic sources if the focal mechanism leads to complex radiation patterns which typically holds for both natural and induced seismicity. In my PhD project, I have developed a new work flow for the localization of seismic events which is based on a diffraction stacking approach. A parallelized code was implemented for the calculation of travel time tables and for the determination of an image function to reduce computation time. In order to address the effects from complex source radiation patterns, I also suggest to compute diffraction stacking from a characteristic function (CF) instead of stacking the original wave form data. A new CF, which is called in the following mAIC (modified from Akaike Information Criterion) is proposed. I demonstrate that, the performance of the mAIC does not depend on the chosen length of the analyzed time window and that both P- and S-wave onsets can be detected accurately. To avoid cross-talk between P- and S-waves due to inaccurate velocity models, I separate the P- and S-waves from the mAIC function by making use of polarization attributes. Then, eventually the final image function is represented by the largest eigenvalue as a result of the covariance analysis between P- and S-image functions. Before applying diffraction stacking, I also apply seismogram denoising by using Otsu thresholding in the time-frequency domain. Results from synthetic experiments show that the proposed diffraction stacking provides reliable results even from seismograms with low SNR=1. Tests with different presentations of the synthetic seismograms (displacement, velocity, and acceleration) shown that, acceleration seismograms deliver better results in case of high SNR, whereas displacement seismograms provide more accurate results in case of low SNR recordings. In another test, different measures (maximum amplitude, other statistical parameters) were used to determine the source location in the final image function. I found that the statistical approach is the preferred method particularly for low SNR. The work flow of my diffraction stacking method was finally applied to local earthquake data from Sumatra, Indonesia. Recordings from a temporary network of 42 stations deployed for 9 months around the Tarutung pull-apart Basin were analyzed. The seismic event locations resulting from the diffraction stacking method align along a segment of the Sumatran Fault. A more complex distribution of seismicity is imaged within and around the Tarutung Basin. Two lineaments striking N-S were found in the middle of the Tarutung Basin which support independent results from structural geology. These features are interpreted as opening fractures due to local extension. A cluster of seismic events repeatedly occurred in short time which might be related to fluid drainage since two hot springs are observed at the surface near to this cluster. N2 - Klassische seismologische Verfahren zur Lokalisierung seismischer Ereignisse basieren auf der Bestimmung der Ankunftszeiten von Raumwellenphasen, der Berechnung von Strahlwegen in Untergrundmodellen sowie der Inversion der Laufzeitdaten. Um mit dieser Methode zuverlässige und genaue Lokalisierungsergebnisse zu erhalten, werden Laufzeitdaten mit kleinen Unsicherheiten benötigt. Folgerichtig müssen Seismogramme mit sehr geringen Signal-zu-Rausch Verhältnissen (S/N) häufig verworfen werden. Geringe S/N können einerseits durch schwache Signale am Empfänger, z.B. wegen großer Entfernungen zur Quelle und/oder bei Quellen mit kleiner Magnitude, und andererseits durch einen hohen Rauschpegel verursacht werden. Eine alternative Methode zur Herdlokalisierung ist die sogenannte Diffraktions-Stapel-ung. Hierbei werden die Amplituden der aufgezeichneten Wellenformen entlang von vorhergesagten Laufzeitfunktionen aufgestapelt. Durch konstruktive Aufsummation können auch Signale von Seismogrammen mit geringem S/N zur Lokalisierung beitragen. Als Teil des Verfahrens wird eine sogenannte Image-Funktion berechnet, deren maximale Amplitude (Kohärenz) mit dem Ort und der Zeit des Bebenherdes verknüpft ist. Die Methodik ist für eine Implementation von automatisierten Überwachungssystemen geeignet. Von Nachteil ist der relative hohe Rechenaufwand. Außerdem müssen bei der Diffraktions-Stapelung die komplizierten Abstrahlcharakteristika im Quellbereich und deren Auswirkungen auf die Signale an verschiedenen Empfängern im Unterschied zur Laufzeit-Inversion mit berücksichtigt werden. In meiner Arbeit habe ich eine neue Methodik zur Lokalisierung von Bebenherden unter Verwendung einer Diffraktions-Stapelung entwickelt. Zunächst werden Laufzeiten (Green’s Funktionen) für potentielle Herdlokationen mit Hilfe eines parallelisierten Algorithmus berechnet. Eine erste Vorbearbeitung der Seismogramme mit der Otsu-Threshold-ing Methode im Zeit-Frequenz-Bereich dient zur Unterdrückung von nicht-stationären Rauschanteilen. Anschliessend wird eine neu entwickelte charakteristische Funktion (CF) berechnet, um P- und S-Welleneinsätze in den gefilterten Daten noch stärker hervorzuheben. Die vorgeschlagene CF basiert auf einer modifizierten Version des Akaike Kriteriums. Die neue CF liefert stabile Resultate, die im Unterschied zum klassischen Akaike-Kriterium nicht von der subjektiv festzulegenden Länge des Analysefensters abhängig sind. Die Verwendung der CF ist darüber hinaus entscheidend, um den unerwünschten Einfluss der Abstrahlcharakteristik auf die gemessenen Amplituden bei der Diffraktions-Stapelung zu eliminieren. Eine finale Image-Funktion wird mit Hilfe einer Kovarianzmatrix-Analyse von P- und S- Image-Funktionen bestimmt, um daraus schließlich die Herdlokation zu ermitteln. Das neue Verfahren wird an Hand von synthetischen Daten getestet. Zuverlässige und genaue Resultate konnten selbst bei sehr geringen S/N von 1 erzielt werden. Tests mit verschiedenen Seismogramm-Varianten (Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) ergaben, dass bei hohem S/N Beschleunigungs-Seismogramme und bei sehr niedrigen S/N Verschiebungs-Seismogramme die besten Ergebnisse lieferten. Schliesslich wurde das Verfahren auf Daten aus einer Lokalbebenuntersuchung auf Sumatra (Indonesien) angewendet. Über einen Zeitraum von 9 Monaten wurde mit einem Netzwerk aus 42 Stationen die Seismizität im Bereich des Tarutung-Beckens an der Sumatra-Störung (SF) erfasst. Die Methode bildete hierbei ein lineares Segment der SF ab. Im Tarutung-Becken wurde eine komplexere Bebenverteilung abgeleitet. Ein Vergleich mit strukturgeologischen Daten liefert Rückschlüsse auf das tektonische und geothermische Regime im Untersuchungsgebiet. KW - time-series analysis KW - inverse theory KW - earthquake source observations KW - seismicity and tectonics KW - wave scattering and diffraction KW - body waves KW - computational seismology KW - Zeitreihenanalyse KW - Inversions-Theorie KW - Beobachtung von Erdbebenquellen KW - Seismizität und Tektonik KW - Wellenbrechung und Diffraktion KW - Raumwellen KW - computergestützte Seismologie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398879 ER - TY - THES A1 - Hochrein, Lena T1 - Development of a new DNA-assembly method and its application for the establishment of a red light-sensing regulation system T1 - Entwicklung einer neuartigen DNS-Assemblierungsmethode und ihre Anwendung für die Etablierung eines Rotlicht-responsiven Regulierungssystems N2 - In der hier vorgelegten Doktorarbeit wurde eine Strategie zur schnellen, einfachen und zuverlässigen Assemblierung von DNS-Fragmenten, genannt AssemblX, entwickelt. Diese kann genutzt werden, um komplexe DNS-Konstrukte, wie beispielsweise komplette Biosynthesewege, aufzubauen. Dies dient der Produktion von technisch oder medizinisch relevanten Produkten in biotechnologisch nutzbaren Organismen. Die Vorteile der Klonierungsstrategie liegen in der Schnelligkeit der Klonierung, der Flexibilität bezüglich des Wirtsorganismus, sowie der hohen Effektivität, die durch gezielte Optimierung erreicht wurde. Die entwickelte Technik erlaubt die nahtlose Assemblierung von Genfragmenten und bietet eine Komplettlösung von der Software-gestützten Planung bis zur Fertigstellung von DNS-Konstrukten, welche die Größe von Mini-Chromosomen erreichen können. Mit Hilfe der oben beschriebenen AssemblX Strategie wurde eine optogenetische Plattform für die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae etabliert. Diese besteht aus einem Rotlicht-sensitiven Photorezeptor und seinem interagierenden Partner aus Arabidopsis thaliana, welche in lichtabhängiger Weise miteinander agieren. Diese Interaktion wurde genutzt, um zwei Rotlicht-aktivierbare Proteine zu erstellen: Einen Transkriptionsfaktor, der nach Applikation eines Lichtpulses die Produktion eines frei wählbaren Proteins stimuliert, sowie eine Cre Rekombinase, die ebenfalls nach Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge die zufallsbasierte Reorganisation bestimmter DNS-Konstrukte ermöglicht. Zusammenfassend wurden damit drei Werkzeuge für die synthetische Biologie etabliert. Diese ermöglichen den Aufbau von komplexen Biosynthesewegen, deren Licht-abhängige Regulation, sowie die zufallsbasierte Rekombination zu Optimierungszwecken. N2 - With Saccharomyces cerevisiae being a commonly used host organism for synthetic biology and biotechnology approaches, the work presented here aims at the development of novel tools to improve and facilitate pathway engineering and heterologous protein production in yeast. Initially, the multi-part assembly strategy AssemblX was established, which allows the fast, user-friendly and highly efficient construction of up to 25 units, e.g. genes, into a single DNA construct. To speed up complex assembly projects, starting from sub-gene fragments and resulting in mini-chromosome sized constructs, AssemblX follows a level-based approach: Level 0 stands for the assembly of genes from multiple sub-gene fragments; Level 1 for the combination of up to five Level 0 units into one Level 1 module; Level 2 for linkages of up to five Level 1 modules into one Level 2 module. This way, all Level 0 and subsequently all Level 1 assemblies can be carried out simultaneously. Individually planned, overlap-based Level 0 assemblies enable scar-free and sequence-independent assemblies of transcriptional units, without limitations in fragment number, size or content. Level 1 and Level 2 assemblies, which are carried out via predefined, computationally optimized homology regions, follow a standardized, highly efficient and PCR-free scheme. AssemblX follows a virtually sequence-independent scheme with no need for time-consuming domestication of assembly parts. To minimize the risk of human error and to facilitate the planning of assembly projects, especially for individually designed Level 0 constructs, the whole AssemblX process is accompanied by a user-friendly webtool. This webtool provides the user with an easy-to-use operating surface and returns a bench-protocol including all cloning steps. The efficiency of the assembly process is further boosted through the implementation of different features, e.g. ccdB counter selection and marker switching/reconstitution. Due to the design of homology regions and vector backbones the user can flexibly choose between various overlap-based cloning methods, enabling cost-efficient assemblies which can be carried out either in E. coli or yeast. Protein production in yeast is additionally supported by a characterized library of 40 constitutive promoters, fully integrated into the AssemblX toolbox. This provides the user with a starting point for protein balancing and pathway engineering. Furthermore, the final assembly cassette can be subcloned into any vector, giving the user the flexibility to transfer the individual construct into any host organism different from yeast. As successful production of heterologous compounds generally requires a precise adjustment of protein levels or even manipulation of the host genome to e.g. inhibit unwanted feedback regulations, the optogenetic transcriptional regulation tool PhiReX was designed. In recent years, light induction was reported to enable easy, reversible, fast, non-toxic and nearly gratuitous regulation, thereby providing manifold advantages compared to conventional chemical inducers. The optogenetic interface established in this study is based on the photoreceptor PhyB and its interacting protein PIF3. Both proteins, derived from Arabidopsis thaliana, dimerize in a red/far-red light-responsive manner. This interaction depends on a chromophore, naturally not available in yeast. By fusing split proteins to both components of the optical dimerizer, active enzymes can be reconstituted in a light-dependent manner. For the construction of the red/far-red light sensing gene expression system PhiReX, a customizable synTALE-DNA binding domain was fused to PhyB, and a VP64 activation domain to PIF3. The synTALE-based transcription factor allows programmable targeting of any desired promoter region. The first, plasmid-based PhiReX version mediates chromophore- and light-dependent expression of the reporter gene, but required further optimization regarding its robustness, basal expression and maximum output. This was achieved by genome-integration of the optical regulator pair, by cloning the reporter cassette on a high-copy plasmid and by additional molecular modifications of the fusion proteins regarding their cellular localization. In combination, this results in a robust and efficient activation of cells over an incubation time of at least 48 h. Finally, to boost the potential of PhiReX for biotechnological applications, yeast was engineered to produce the chromophore. This overcomes the need to supply the expensive and photo-labile compound exogenously. The expression output mediated through PhiReX is comparable to the strong constitutive yeast TDH3 promoter and - in the experiments described here - clearly exceeds the commonly used galactose inducible GAL1 promoter. The fast-developing field of synthetic biology enables the construction of complete synthetic genomes. The upcoming Synthetic Yeast Sc2.0 Project is currently underway to redesign and synthesize the S. cerevisiae genome. As a prerequisite for the so-called “SCRaMbLE” system, all Sc2.0 chromosomes incorporate symmetrical target sites for Cre recombinase (loxPsym sites), enabling rearrangement of the yeast genome after induction of Cre with the toxic hormonal substance beta-estradiol. To overcome the safety concern linked to the use of beta-estradiol, a red light-inducible Cre recombinase, dubbed L-SCRaMbLE, was established in this study. L-SCRaMbLE was demonstrated to allow a time- and chromophore-dependent recombination with reliable off-states when applied to a plasmid containing four genes of the beta-carotene pathway, each flanked with loxPsym sites. When directly compared to the original induction system, L-SCRaMbLE generates a larger variety of recombination events and lower basal activity. In conclusion, L-SCRaMbLE provides a promising and powerful tool for genome rearrangement. The three tools developed in this study provide so far unmatched possibilities to tackle complex synthetic biology projects in yeast by addressing three different stages: fast and reliable biosynthetic pathway assembly; highly specific, orthogonal gene regulation; and tightly controlled synthetic evolution of loxPsym-containing DNA constructs. KW - synthetic biology KW - pathway engineering KW - DNA assembly KW - transcription factor KW - Cre recombinase KW - optogenetics KW - synthetische Biologie KW - Optimierung von Biosynthesewegen KW - DNS Assemblierung KW - Transkriptionsfaktor KW - Cre Rekombinase KW - Optogenetik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404441 ER - TY - THES A1 - Meiling, Till Thomas T1 - Development of a reliable and environmentally friendly synthesis for fluorescence carbon nanodots T1 - Entwicklung einer zuverlässigen und umweltfreundlichen Synthese für fluoreszierende Kohlenstoff-Nanopunkte BT - preparation and characterisation of excellent and well-defined carbon nanodots by a fast, simple and cost-efficient synthesis method; with special focus on future exploration and large scale applications BT - Herstellung und Charakterisierung von hochwertigen und klar definierten Kohlenstoff-Nanopunkten mit Hilfe einer schnellen, einfachen, und kosteneffizienten Synthesemethode; mit speziellem Fokus auf ihre zukünftige Erforschung und breite Anwendung N2 - Carbon nanodots (CNDs) have generated considerable attention due to their promising properties, e.g. high water solubility, chemical inertness, resistance to photobleaching, high biocompatibility and ease of functionalization. These properties render them ideal for a wide range of functions, e.g. electrochemical applications, waste water treatment, (photo)catalysis, bio-imaging and bio-technology, as well as chemical sensing, and optoelectronic devices like LEDs. In particular, the ability to prepare CNDs from a wide range of accessible organic materials makes them a potential alternative for conventional organic dyes and semiconductor quantum dots (QDs) in various applications. However, current synthesis methods are typically expensive and depend on complex and time-consuming processes or severe synthesis conditions and toxic chemicals. One way to reduce overall preparation costs is the use of biological waste as starting material. Hence, natural carbon sources such as pomelo peal, egg white and egg yolk, orange juice, and even eggshells, to name a few; have been used for the preparation of CNDs. While the use of waste is desirable, especially to avoid competition with essential food production, most starting-materials lack the essential purity and structural homogeneity to obtain homogeneous carbon dots. Furthermore, most synthesis approaches reported to date require extensive purification steps and have resulted in carbon dots with heterogeneous photoluminescent properties and indefinite composition. For this reason, among others, the relationship between CND structure (e.g. size, edge shape, functional groups and overall composition) and photophysical properties is yet not fully understood. This is particularly true for carbon dots displaying selective luminescence (one of their most intriguing properties), i.e. their PL emission wavelength can be tuned by varying the excitation wavelength. In this work, a new reliable, economic, and environmentally-friendly one-step synthesis is established to obtain CNDs with well-defined and reproducible photoluminescence (PL) properties via the microwave-assisted hydrothermal treatment of starch, carboxylic acids and Tris-EDTA (TE) buffer as carbon- and nitrogen source, respectively. The presented microwave-assisted hydrothermal precursor carbonization (MW-hPC) is characterized by its cost-efficiency, simplicity, short reaction times, low environmental footprint, and high yields of approx. 80% (w/w). Furthermore, only a single synthesis step is necessary to obtain homogeneous water-soluble CNDs with no need for further purification. Depending on starting materials and reaction conditions different types of CNDs have been prepared. The as-prepared CNDs exhibit reproducible, highly homogeneous and favourable PL properties with narrow emission bands (approx. 70nm FWHM), are non-blinking, and are ready to use without need for further purification, modification or surface passivation agents. Furthermore, the CNDs are comparatively small (approx. 2.0nm to 2.4nm) with narrow size distributions; are stable over a long period of time (at least one year), either in solution or as a dried solid; and maintain their PL properties when re-dispersed in solution. Depending on CND type, the PL quantum yield (PLQY) can be adjusted from as low as 1% to as high as 90%; one of the highest reported PLQY values (for CNDs) so far. An essential part of this work was the utilization of a microwave synthesis reactor, allowing various batch sizes and precise control over reaction temperature and -time, pressure, and heating- and cooling rate, while also being safe to operate at elevated reaction conditions (e.g. 230 ±C and 30 bar). The hereby-achieved high sample throughput allowed, for the first time, the thorough investigation of a wide range of synthesis parameters, providing valuable insight into the CND formation. The influence of carbon- and nitrogen source, precursor concentration and -combination, reaction time and -temperature, batch size, and post-synthesis purification steps were carefully investigated regarding their influence on the optical properties of as-synthesized CNDs. In addition, the change in photophysical properties resulting from the conversion of CND solution into solid and back into the solution was investigated. Remarkably, upon freeze-drying the initial brown CND-solution turns into a non-fluorescent white/slightly yellow to brown solid which recovers PL in aqueous solution. Selected CND samples were also subject to EDX, FTIR, NMR, PL lifetime (TCSPC), particle size (TEM), TGA and XRD analysis. Besides structural characterization, the pH- and excitation dependent PL characteristics (i.e. selective luminescence) were examined; giving inside into the origin of photophysical properties and excitation dependent behaviour of CNDs. The obtained results support the notion that for CNDs the nature of the surface states determines the PL properties and that excitation dependent behaviour is caused by the “Giant Red-Edge Excitation Shift” (GREES). N2 - Kohlenstoff-Nanopunkte (CNDs, engl. carbon nanodots) haben im letzten Jahrzehnt insbesondere durch ihre vielversprechenden Eigenschaften immer mehr an Popularität gewonnen. CNDs zeichnen sich insbesondere durch ihre Wasserlöslichkeit, hohe chemische Stabilität, Biokompatibilität, hohe Resistenz gegen Photobleichen, und die Möglichkeit zur Oberflächenfunktionalisierung aus. Diese Eigenschaften machen sie somit ideal für eine breite Palette von Anwendungen: z.B. Abwasserbehandlung, (Foto-) Katalyse, Bioimaging und Biotechnologie, chemische Sensorik, sowie elektrochemische- und optoelektronische Anwendungen (z.B. LEDs). Insbesondere die Möglichkeit, CNDs aus einer Vielzahl organischer Materialien herzustellen, machen sie zu einer möglichen Alternative für herkömmliche organische Farbstoffe und Halbleiter-Quantenpunkte (QDs). Derzeitigen Synthesestrategien erweisen sich jedoch häufig als teuer, komplex und zeitaufwändig; bzw. benötigen toxischen Chemikalien und/oder drastische Reaktionsbedingungen. Eine Möglichkeit, die Herstellungskosten von CNDs zu reduzieren, ist die Verwendung von biologischem Abfall als Ausgangsmaterial. So wurden bereits eine Vielzahl an natürlichen Kohlenstoffquellen, z.B. Pomelo-Schale, Eiweiß und Eigelb, Orangensaft und sogar Eierschalen, für die Darstellung von CNDs verwendet. Während die Verwendung von biologischem Abfall wünschenswert ist, insbesondere um Wettbewerb mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, fehlt den meisten Ausgangsmaterialien jedoch die notwendige Reinheit und strukturelle Homogenität um einheitliche CNDs zu erhalten. So führen bisherige Syntheseansätze oft zu CNDs mit heterogenen photophysikalischen Eigenschaften und unbestimmter Zusammensetzung. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen CND Struktur und photophysikalischen Eigenschaften werden aber möglichst homogene und vergleichbare Proben benötigt. In dieser Arbeit wird daher eine neue, zuverlässige, ökonomische und umweltfreundliche Einstufen-Synthese zur Darstellung von CNDs mit klar definierten und reproduzierbaren Photolumineszenz- (PL) -Eigenschaften vorgestellt. Die vorgestellte Methode basiert auf der mikrowellenunterstützten, hydrothermischen Behandlung (MW-hPC, engl. microwaveassisted hydrothermal precursor carbonization) wässriger Lösungen aus Stärke, Carbonsäuren (als Kohlenstoffquelle) und Tris-EDTA (TE) -Puffer (als Stickstoffquelle). Die MW-hPC zeichnet sich insbesondere durch die hohe Reproduzierbarkeit, einfache Handhabung, geringen Reaktionszeiten, geringe Umweltbelastung, Kosteneffizienz und die hohen Ausbeuten von ca. 80% (w/w) aus. Darüber hinaus wird nur ein einziger Syntheseschritt (ohne weitere Aufreinigung) benötigt um homogene, wasserlösliche CNDs zu erhalten. In Abhängig der gewählten Ausgangsmaterialen und Reaktionsbedingungen können verschiedene Typen an CNDs gewonnen werden. Die so gewonnen CNDs sind verhältnismäßig klein (ca. 2.0nm- 2.4nm); besitzen eine geringe Größenverteilung, hochgradig homogenen PL-Eigenschaften, und geringen Halbwertsbreiten (FWHM) von ca. 70nm. Darüber hinaus erwiesen sie sich als nicht blinkend; sind langzeitstabil (min. ein Jahr) sowohl in Lösung als auch als Feststoff; und sind direkt gebrauchsfertig, d.h. benötigen keine weitere Aufreinigung oder Oberflächenpassivierung. In Abhängigkeit vom CND-Typ kann die PL-Quantenausbeute zwischen 1% bis 90% betragen; einer der höchsten Werte der je (für CNDs) erreicht wurde. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit war die Verwendung eines Mikrowellensynthese- Reaktors (MiWR) und die damit einhergehende präzise Kontrolle über die Reaktionstemperatur und -zeit, den Druck, und die Heiz- und Abkühlgeschwindigkeit. Des Weiteren ermöglichte der MiWR unterschiedliche Ansatzgrößen und das sichere Arbeiten bei erhöhten Reaktionsbedingungen (z.B. 230 ±C und 30 bar). Der hierdurch erreichte hohe Probendurchsatz ermöglichte somit erstmals die sorgfältige Untersuchung einer Vielzahl an Syntheseparametern hinsichtlich ihres Einflusses auf die photophysikalischen Eigenschaften der dargestellten CNDs. Die untersuchten Parameter reichen hierbei von der Reaktionstemperatur und -zeit über die Edukt-Konzentration und -Kombination (Kohlenstoff- und Stickstoffquelle) bis hin zur Ansatzgröße. Bemerkenswerterweise, und unabhängig vom CND-Typ, transformieren die ursprünglich braunen CND-Lösungen während der Trocknung zu einem nicht fluoreszierenden, weißen/leicht gelblich bis bräunlichen Feststoff; und regenerieren ihre photophysikalischen Eigenschaften verlustfrei in wässriger Lösung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgewählte CND-Proben der EDX-, FTIR-, NMR-, TCSPC-, Partikelgrößen (TEM)-, TGA- und XRD-Analyse unterzogen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse stützen die Theorie, dass die photophysikalischen Eigenschaften der CNDs durch ihre Oberflächenzustände bestimmt werden und dass die s.g. ”Riesen-Rotkanten-Anregungsverschiebung” (GREES, engl. Giant Red Edge Excitation Shift) eine mögliche Ursache für die häufig beobachtete Anregungswellenlängenabhängigkeit der Emissionswellenlänge (bzw. selektive Lumineszenz) in CNDs ist. KW - carbon dots KW - carbon nanodots KW - fluorescence KW - high quantum yield KW - microwave synthesis KW - white carbon KW - Kohlenstoff-Punkte KW - Kohlenstoff-Nanopunkte KW - Fluoreszenz KW - hohe Quantenausbeute KW - mikrowellengestützte Synthese KW - weißer Kohlenstoff Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410160 ER - TY - THES A1 - Dippel, Sandor T1 - Development of functional hydrogels for sensor applications T1 - Entwicklung funktionalisierter Hydrogele für Sensor Anwendungen N2 - In this work, a sensor system based on thermoresponsive materials is developed by utilizing a modular approach. By synthesizing three different key monomers containing either a carboxyl, alkene or alkyne end group connected with a spacer to the methacrylic polymerizable unit, a flexible copolymerization strategy has been set up with oligo ethylene glycol methacrylates. This allows to tune the lower critical solution temperature (LCST) of the polymers in aqueous media. The molar masses are variable thanks to the excurse taken in polymerization in ionic liquids thus stretching molar masses from 25 to over 1000 kDa. The systems that were shown shown to be effective in aqueous solution could be immobilized on surfaces by copolymerizing photo crosslinkable units. The immobilized systems were formulated to give different layer thicknesses, swelling ratios and mesh sizes depending on the demand of the coupling reaction. The coupling of detector units or model molecules is approached via reactions of the click chemistry pool, and the reactions are evaluated on their efficiency under those aspects, too. These coupling reactions are followed by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) to judge efficiency. With these tools at hand, Salmonella saccharides could be selectively detected by SPR. Influenza viruses were detected in solution by turbidimetry in solution as well as by a copolymerized solvatochromic dye to track binding via the changes of the polymers’ fluorescence by said binding event. This effect could also be achieved by utilizing the thermoresponsive behavior. Another demonstrator consists of the detection system bound to a quartz surface, thus allowing the virus detection on a solid carrier. The experiments show the great potential of combining the concepts of thermoresponsive materials and click chemistry to develop technically simple sensors for large biomolecules and viruses. N2 - Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Sensorsystemen für biologische Analyten wie Bakterien und Viren. Die Sensoren beruhen auf thermoresponsiven Polymeren und die Entwicklung wird Schritt für Schritt ausgehend von der Monomersynthese dargelegt. Die Grundidee ist es alle Einzelschritte so modular wie möglich zu halten. Die Kopplungseinheiten für die späteren Erkennungsgruppen bestehen aus Carboxyl, Alken und Alkinfunktionalitäten, die zuerst mit einem Ethylenglycolspacer mit variabler Länge verknüpft werden und dann mit der polymerisierbaren Methylmethacrylatgruppe versehen werden. Diese koppelbaren Monomere werden mit Di- oder (Oligoethylenglycol)methacrylaten copolymerisiert. Je nach Verhältnis ist so auch die untere kritische Entmischungstemperatur (LCST) einstellbar. Mit der Erweiterung der Polymerisationstechnik um ionische Flüssigkeiten als Lösemittel lassen sich Molmassen von 25 bis über 1000 kDa einstellen. Um die Polymere funktionell zu erweitern, lassen sich auch benzophenonhaltige Monomere zur Vernetzung oder Immobilisierung copolymerisieren. Naphthalsäureimidhaltige Monomere wiederum dienen als Signaleinheit, da sie durch Verändern der Polarität ihrer Umgebung solvatochrom reagieren. Durch Aufschleudern und UV-Vernetzen lassen sich Gelschichten mit guter Schichtdickenkontrolle herstellen. Dabei sind die Substrate nur auf den jeweiligen Zweck beschränkt. Dank des Baukastenprinzips kann auch die Maschenweite oder der Quellgrad der Gele eingestellt werden. Die Polymere oder Hydrogele werden mit Hilfe von effizienten Reaktionen swe sogenannten „Click Chemie“ umgesetzt und die Reaktionen werden durchleuchtet, ob sie diesen Ansprüchen gerecht werden. Je nach Möglichkeit wird das Anknüpfen mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie(SPR) verfolgt, so wie zum Beispiel die Kopplung eines Phagen-Oberflächenproteins und das selektive Binden eines Membransaccharids des Salmonellen Bakteriums. Influenza Viren werden selektiv mit Hilfe eines Erkennungspeptids gebunden und mit Hilfe von Trübungsspektroskopie bzw. dem thermoresponsiven Verhalten des Trägerpolymers nachgewiesen. Ein weiterer dargelegter Ansatz ist das Nachweisen von geringen Virenkonzentrationen mit Hilfe eines Hydrogels oder von Polymeren in Lösung, die jeweils mit einem solvatochromen Farbstoff ausgestattet sind, der auf die Umgebungsänderung durch den Virus reagiert. Die Experimente zeigen das große Potential von geschickt kombinierten thermoresponsiven Materialien, die mittels Funktionalisierung durch Click-Chemie zu technisch einfachen Nachweissystemen für Biomoleküle und sogar ganze Zellen entwickelt werden können. KW - biosensors KW - polymer synthesis KW - lower critical solution temperature KW - surface modification KW - smart materials KW - Biosensoren KW - Polymersynthese KW - untere kritische Entmischungstemperatur KW - schaltbare Materialien Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398252 ER - TY - THES A1 - Tabatabaei, Iman T1 - Development of new selection systems for organellar genome transformation N2 - Plant cells host two important organelles: mitochondria, known as the cell’s ‘powerhouse’, which act by converting oxygen and nutrients into ATP, and plastids, which perform photosynthesis. These organelles contain their own genomes that encode proteins required for gene expression and energy metabolism. Transformation technologies offer great potential for investigating all aspects of the physiology and gene expression of these organelles in vivo. In addition, organelle transformation can be a valuable tool for biotechnology and molecular plant breeding. Plastid transformation systems are well-developed for a few higher plants, however, mitochondrial transformation has so far only been reported for Saccharomyces cerevisiae and the unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii. Development of an efficient new selection marker for plastid transformation is important for several reasons, including facilitating supertransformation of the plastid genome for metabolic engineering purposes and for producing multiple knock-outs or site-directed mutagenesis of two unlinked genes. In this work, we developed a novel selection system for Nicotiana tabacum (tobacco) chloroplast transformation with an alternative marker. The marker gene, aac(6′)-Ie/aph(2′′)-Ia, was cloned into different plastid transformation vectors and several candidate aminoglycoside antibiotics were investigated as selection agents. Generally, the efficiency of selection and the transformation efficiency with aac(6′)-Ie/aph(2′′)-Ia as selectable marker in combination with the aminoglycoside antibiotic tobramycin was similarly high as that with the standard marker gene aadA and spectinomycin selection. Furthermore, our new selection system may be useful for the development of plastid transformation for new species, including cereals, the world’s most important food crops, and could also be helpful for the establishment of a selection system for mitochondrial transformation. To date, all attempts to achieve mitochondrial transformation for higher plants have been unsuccessful. A mitochondrial transformation system for higher plants would not only provide a potential for studying mitochondrial physiology but could also provide a method to introduce cytoplasmic male sterility into crops to produce hybrid seeds. Establishing a stable mitochondrial transformation system in higher plants requires several steps including delivery of foreign DNA, stable integration of the foreign sequences into the mitochondrial genome, efficient expression of the transgene, a highly regenerable tissue culture system that allows regeneration of the transformed cells into plants, and finally, a suitable selection system to identify cells with transformed mitochondrial genomes. Among all these requirements, finding a good selection is perhaps the most important obstacle towards the development of a mitochondrial transformation system for higher plants. In this work, two selection systems were tested for mitochondrial transformation: kanamycin as a selection system in combination with the antibiotic-inactivating marker gene nptII, and sulfadiazine as a selection agent that inhibits the folic acid biosynthesis pathway residing in plant mitochondria in combination with the sul gene encoding an enzyme that is insensitive to inhibition by sulfadiazine. Nuclear transformation experiments were considered as proof of the specificity of the sulfadiazine selection system for mitochondria. We showed that an optimized sulfadiazine selection system, with the Sul protein targeted to mitochondria, is much more efficient than the previous sulfadiazine selection system, in which the Sul protein was targeted to the chloroplast. We also showed by systematic experiments that the efficiency of selection and nuclear transformation of the optimized sulfadiazine selection was higher compared to the standard kanamycin selection system. Finally, we also investigated the suitability of this selection system for nuclear transformation of the model alga Chlamydomonas reinhardtii, obtaining promising results. Although we designed several mitochondrial transformation vectors with different expression elements and integration sites in the mitochondrial genome based on the sulfadiazine system, and different tissue culture condition were also considered, we were not able to obtain mitochondrial transformation with this system. Nonetheless, establishing the sul gene as an efficient and specific selection marker for mitochondria addresses one of the major bottlenecks and may pave the way to achieve mitochondrial transformation in higher plants. KW - plastid transformation KW - tobramycin KW - bifunctional enzyme KW - mitochondrial transformation KW - sulfadiazine Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Weitkunat, Karolin T1 - Dietary fibers and short-chain fatty acids in the development of diet-induced obesity Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Mücke, Nicole T1 - Direct and inverse problems in machine learning T1 - Direkte und inverse Probleme im maschinellen Lernen BT - kernel methods and spectral regularization BT - Kern Methoden und spektrale Regularisierung N2 - We analyze an inverse noisy regression model under random design with the aim of estimating the unknown target function based on a given set of data, drawn according to some unknown probability distribution. Our estimators are all constructed by kernel methods, which depend on a Reproducing Kernel Hilbert Space structure using spectral regularization methods. A first main result establishes upper and lower bounds for the rate of convergence under a given source condition assumption, restricting the class of admissible distributions. But since kernel methods scale poorly when massive datasets are involved, we study one example for saving computation time and memory requirements in more detail. We show that Parallelizing spectral algorithms also leads to minimax optimal rates of convergence provided the number of machines is chosen appropriately. We emphasize that so far all estimators depend on the assumed a-priori smoothness of the target function and on the eigenvalue decay of the kernel covariance operator, which are in general unknown. To obtain good purely data driven estimators constitutes the problem of adaptivity which we handle for the single machine problem via a version of the Lepskii principle. N2 - In dieser Arbeit analysieren wir ein zufälliges und verrauschtes inverses Regressionsmodell im random design. Wir konstruiueren aus gegebenen Daten eine Schätzung der unbekannten Funktion, von der wir annehmen, dass sie in einem Hilbertraum mit reproduzierendem Kern liegt. Ein erstes Hauptergebnis dieser Arbeit betrifft obere Schranken an die Konvergenzraten. Wir legen sog. source conditions fest, definiert über geeignete Kugeln im Wertebereich von (reellen) Potenzen des normierten Kern-Kovarianzoperators. Das führt zu einer Einschränkung der Klasse der Verteilungen in einem statistischen Modell, in dem die spektrale Asymptotik des von der Randverteilung abhängigen Kovarianzoperators eingeschränkt wird. In diesem Kontext zeigen wir obere und entsprechende untere Schranken für die Konvergenzraten für eine sehr allgemeine Klasse spektraler Regularisierungsmethoden und etablieren damit die sog. Minimax-Optimalität dieser Raten. Da selbst bei optimalen Konvergenzraten Kernmethoden, angewandt auf große Datenmengen, noch unbefriedigend viel Zeit verschlingen und hohen Speicherbedarf aufweisen, untersuchen wir einen Zugang zur Zeitersparnis und zur Reduktion des Speicherbedarfs detaillierter. Wir studieren das sog. distributed learning und beweisen für unsere Klasse allgemeiner spektraler Regularisierungen ein neues Resultat, allerdings immer noch unter der Annahme einer bekannten a priori Regularität der Zielfunktion, ausgedrückt durch die Fixierung einer source condition. Das große Problem bei der Behandlung realer Daten ist das der Adaptivität, d.h. die Angabe eines Verfahrens, das ohne eine solche a priori Voraussetzung einen in einem gewissen Sinn optimalen Schätzer aus den Daten konstruiert. Das behandeln wir vermöge einer Variante des Balancing principle. KW - inverse problems KW - kernel methods KW - minimax optimality KW - inverse Probleme KW - Kern Methoden KW - Minimax Optimalität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403479 ER - TY - THES A1 - Kretschmer, Marlene T1 - Disentangling causal pathways of the stratospheric polar vortex BT - a machine learning approach Y1 - 2017 ER -