TY  - THES
A1  - Logačev, Pavel
T1  - Underspecification and parallel processing in sentence comprehension
T1  - Unterspezifikation und parallele Verarbeitung im Satzverständnis
N2  - The aim of the present thesis is to answer the question to what degree the processes involved in sentence comprehension are sensitive to task demands. A central phenomenon in this regard is the so-called ambiguity advantage, which is the finding that ambiguous sentences can be easier to process than unambiguous sentences. This finding may appear counterintuitive, because more meanings should be associated with a higher computational effort. Currently, two theories exist that can explain this finding.
The Unrestricted Race Model (URM) by van Gompel et al. (2001) assumes that several sentence interpretations are computed in parallel, whenever possible, and that the first interpretation to be computed is assigned to the sentence. Because the duration of each structure-building process varies from trial to trial, the parallelism in structure-building predicts that ambiguous sentences should be processed faster. This is because when two structures are permissible, the chances that some interpretation will be computed quickly are higher than when only one specific structure is permissible. Importantly, the URM is not sensitive to task demands such as the type of comprehension questions being asked.
A radically different proposal is the strategic underspecification model by Swets et al. (2008). It assumes that readers do not attempt to resolve ambiguities unless it is absolutely necessary. In other words, they underspecify. According the strategic underspecification hypothesis, all attested replications of the ambiguity advantage are due to the fact that in those experiments, readers were not required to fully understand the sentence.
In this thesis, these two models of the parser’s actions at choice-points in the sentence are presented and evaluated. First, it is argued that the Swets et al.’s (2008) evidence against the URM and in favor of underspecification is inconclusive. Next, the precise predictions of the URM as well as the underspecification model are refined. Subsequently, a self-paced reading experiment involving the attachment of pre-nominal relative clauses in Turkish is presented, which provides evidence against strategical underspecification. A further experiment is presented which investigated relative clause attachment in German using the speed-accuracy tradeoff (SAT) paradigm. The experiment provides evidence against strategic underspecification and in favor of the URM. Furthermore the results of the experiment are used to argue that human sentence comprehension is fallible, and that theories of parsing should be able to account for that fact. Finally, a third experiment is presented, which provides evidence for the sensitivity to task demands in the treatment of ambiguities. Because this finding is incompatible with the URM, and because the strategic underspecification model has been ruled out, a new model of ambiguity resolution is proposed: the stochastic multiple-channel model of ambiguity resolution (SMCM). It is further shown that the quantitative predictions of the SMCM are in agreement with experimental data.
In conclusion, it is argued that the human sentence comprehension system is parallel and fallible, and that it is sensitive to task-demands.
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu untersuchen zu welchem Grad Satzverständnis kontextabhängig ist. In anderen Worten, werden die mentalen Prozesse die zum Satzverständnis beitragen davon beeinflusst mit welchem Ziel ein Satz gelesen wird?
Ein in diesem Hinblick zentrales Phänomen ist die sogenannte ambiguity advantage, wonach ambige Sätze schneller gelesen werden als eindeutige. Dies erscheint zunächst kontraintuitiv, denn die Erstellung mehrerer Bedeutungen müsste mit einem höheren Verarbeitungsaufwand verbunden sein. Im Moment existieren zwei Theorien, die diesen Effekt erklären können:
Das Unrestricted Race Model (URM; van Gompel, Pickering, and Traxler, 2000) basiert auf der Annahme, daß Leser, wann immer möglich, mehrere Interpretationen eines Satzes gleichzeitig zu erstellen versuchen. Sobald die erste Interpretation erstellt wurde, wird diese als die finale Interpretation des aktuellen Inputs akzeptiert, und die Erstellung weiterer Interpretationen wird terminiert. Weil die Dauer jedes Strukturerstellungsprozesses variiert, führt dieser Interpretationsmechanismus dazu daß Sätze mit mehreren Bedeutungen schneller verarbeitet werden. Wenn zwei Satzstrukturen zulässig sind, ist die Wahrscheinlichkeit höher daß zumindest eine von beiden relativ schnell berechnet wird als wenn nur eine Struktur zulässig ist. Dieses Modell nimmt keine Einflüsse von Verständnisaufgaben auf die Verarbeitungsstrategie an.
Einen gänzlich anderen Erklärungsansatz verfolgt das strategische Unterspezifizierungsmodell von Swets et al. (2008). Hier wird angenommen daß Leser Ambiguitäten nur dann auflösen, wenn es unbedingt notwendig ist. Wenn es nicht notwendig ist, unterspezifizieren sie stattdessen. Laut dem Unterspezifizierungsmodell sind alle bisherigen Replikationen der ambiguity advantage der Tatsache geschuldet, daß in diesen Experimenten nur oberflächliche Fragen gestellt wurden, die keine Ambiguitätsauflösung erforderten. Wäre Disambiguierung erforderlich gewesen, wäre die Verarbeitung ambiger Sätze langsamer.

In der vorliegenden Arbeit werden diese beiden Modelle der Ambiguitätsauflösung diskutiert und empirisch evaluiert. Zunächst wird diskutiert warum die Daten von Swets et al.'s (2008) Experiment keine Evidenz für Unterspezifikation darstellen. Als nächstes werden die präzisen quantitativen Vorhersagen des URM und des Unterspezifizierungsmodells diskutiert. Es werden die Resultate eines self-paced reading Experiments mit pränominalen Relativsätzen im Türkischen vorgestellt, welche nicht mit dem Unterspezifizierungsmodell kompatibel sind. Als nächstes werden die Resultate eines weiteren Experiments vorgestellt, welches den Prozess der Relativsatzanbindung im Deutschen im Speed-Accuracy Tradeoff Paradigma (SAT) untersucht.
Die Resultate sind mit dem URM, aber nicht mit strategischer Unterspezifikation vereinbar.
Des weiteren wird ein drittes Experiment vorgestellt, welches zeigt daß Parsingstrategien von den Gesichtspunkten abhängen unter denen Leser einen Satz lesen. 
Um alle experimentellen Ergebnisse in dieser Arbeit zu erklären, wird ein neues Modell der Disambiguierung vorgestellt: das Stochastic Multiple-Channel Model (SMCM). Es wird des weiteren gezeigt, daß die quantitativen Vorhersagen des SMCM mit den experimentellen Daten übereinstimmen.
KW  - psycholinguistics
KW  - sentence processing
KW  - Psycholinguistik
KW  - Satzverarbeitung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82047
ER  - 
TY  - THES
A1  - Goswami, Bedartha
T1  - Uncertainties in climate data analysis
T1  - Unsicherheiten in der Analyse von Klimadaten
BT  - Perspectives on working with measurement errors and other unknowns
BT  - Über Möglichkeiten der Arbeit mit Meßfehlern und anderen Unbekannten
N2  - Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT).

Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and
demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP.

We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Niño Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies.
N2  - Wissenschaftliche Untersuchungen setzen nicht nur eine Formulierung des gegenwärtigen Kenntnisstandes mitsamt ihrer Unsicherheiten voraus, sondern ebenso eine Eingrenzung des Unbekannten. Bezogen auf die Analyse von Klimadaten beinhaltet dies eine präzise Spezifikation gemessener Größen sowie eine durchgängige Berücksichtigung ihrer Messunsicherheiten in allen Schritten der Analyse. Diese Dissertation präsentiert eine analytische Methode zur Quantifizierung der in Paläoklimadaten inhärenten Messunsicherheiten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Unsicherheiten in der Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die globale Durchschnittstemperatur (GMT global mean temperature) beeinflussen.

Die Paläoklimaforschung beruht in kritischem Maße auf der Analyse von Proxydaten welche die Klimaentwicklung dokumentieren. Allerdings sind Proxydaten mit inhärenten Datierungsunsicherheiten behaftet. Basierend auf einem generischen Bayes’schen Ansatz wird in dieser Dissertation eine analytische Methode vorgestellt um aus den zeitlich unsicheren Proxydaten zeitlich präzise Folgen korrelierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erhalten. Von diesen Verteilungen werden Proxyzeitreihen zusammen mit ihren Unsicherheiten berechnet. Weiterhin wird eine rekurrenzbasierte Methode zur Analyse von Proxydaten entwickelt welche anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen plötzliche Änderungen in der Dynamik des Systems ermittelt. Beide Methoden werden mit Hilfe synthetischer Beispieldaten validiert und mit realen Proxydaten demonstriert. Diese statistische Analyse von Proxydaten deckt unteranderem die Beziehungen zwischen der Variabilität der Daten und zugehöriger Unsicherheiten der Proxyzeitreihen auf. Die Re- kurrenzanalyse des Ostasiatischen Sommermonsuns bestätigt die bekannten Trockenzeiten der letzten 9.000 Jahre um 8.200 bzw. 4.400 Jahre vor unserer Zeit und deckt eine zusätzliche Trockenzeit um etwa 6.900 Jahre vor unserer Zeit auf.

Die Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die GMT beeinflussen lässt sich als ein verworrenes, gerichtetes Netzwerk mit multiplen Links, welche zu verschiedenen Zeitskalen gehören, darstellen. Speziell ergibt sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen der GMT und dem ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) auf einer quasi-zweijährigen Zeitskala. Einerseits beleuchtet diese Analyse die Notwendigkeit Einflüsse verschiedener Klimafaktoren auf die GMT nuancierter zu formulieren, andererseits werden die Grenzen der Quantifizierung dieser Einflüsse aufgezeigt.
KW  - data analysis
KW  - Bayesian estimation
KW  - Bayessche Schätzer
KW  - Datenanalyse
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312
ER  - 
TY  - THES
A1  - Czesnick, Hjördis
T1  - Functional specialization of Arabidopsis poly(A) polymerases in relation to flowering time and stress
T1  - Funktionelle Spezialisierung von Arabidopsis Poly(A)-Polymerasen in Hinsicht auf Blühzeit und Stress
N2  - Polyadenylation is a decisive 3’ end processing step during the maturation of pre-mRNAs. The length of the poly(A) tail has an impact on mRNA stability, localization and translatability. Accordingly, many eukaryotic organisms encode several copies of canonical poly(A) polymerases (cPAPs). The disruption of cPAPs in mammals results in lethality. In plants, reduced cPAP activity is non-lethal. Arabidopsis encodes three nuclear cPAPs, PAPS1, PAPS2 and PAPS4, which are constitutively expressed throughout the plant. Recently, the detailed analysis of Arabidopsis paps1 mutants revealed a subset of genes that is preferentially polyadenylated by the cPAP isoform PAPS1 (Vi et al. 2013). Thus, the specialization of cPAPs might allow the regulation of different sets of genes in order to optimally face developmental or environmental challenges. 
To gain insights into the cPAP-based gene regulation in plants, the phenotypes of Arabidopsis cPAPs mutants under different conditions are characterized in detail in the following work. An involvement of all three cPAPs in flowering time regulation and stress response regulation is shown. While paps1 knockdown mutants flower early, paps4 and paps2 paps4 knockout mutants exhibit a moderate late-flowering phenotype. PAPS1 promotes the expression of the major flowering inhibitor FLC, supposedly by specific polyadenylation of an FLC activator. PAPS2 and PAPS4 exhibit partially overlapping functions and ensure timely flowering by repressing FLC and at least one other unidentified flowering inhibitor. The latter two cPAPs act in a novel regulatory pathway downstream of the autonomous pathway component FCA and act independently from the polyadenylation factors and flowering time regulators CstF64 and FY. Moreover, PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are implicated in different stress response pathways in Arabidopsis. Reduced activity of the poly(A) polymerase PAPS1 results in enhanced resistance to osmotic and oxidative stress. Simultaneously, paps1 mutants are cold-sensitive. In contrast, PAPS2/PAPS4 are not involved in the regulation of osmotic or cold stress, but paps2 paps4 loss-of-function mutants exhibit enhanced sensitivity to oxidative stress provoked in the chloroplast. Thus, both PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are required to maintain a balanced redox state in plants. PAPS1 seems to fulfil this function in concert with CPSF30, a polyadenylation factor that regulates alternative polyadenylation and tolerance to oxidative stress. 
The individual paps mutant phenotypes and the cPAP-specific genetic interactions support the model of cPAP-dependent polyadenylation of selected mRNAs. The high similarity of the polyadenylation machineries in yeast, mammals and plants suggests that similar regulatory mechanisms might be present in other organism groups. The cPAP-dependent developmental and physiological pathways identified in this work allow the design of targeted experiments to better understand the ecological and molecular context underlying cPAP-specialization.
N2  - Polyadenylierung ist ein entscheidender Schritt der 3‘-End-Prozessierung und somit der Reifung von prä-mRNAs. Die Länge des Poly(A)-Schwanzes entscheidet unter anderem über die Stabilität und Lokalisierung von mRNAs. Viele Eukaryoten besitzen mehrere Kopien der kanonischen Poly(A)-Polymerasen (PAP). In Säugetieren ist das Ausknocken dieser Enzyme letal. Pflanzen mit reduzierter PAP-Aktivität sind hingegen überlebensfähig. Arabidopsis exprimiert drei im Zellkern lokalisierte PAPs namens PAPS1, PAPS2 und PAPS4. Kürzlich ergab die Analyse von Arabidopsis paps1-Mutanten, dass eine Gen-Untergruppe vorzugsweise von PAPS1 polyadenyliert wird (Vi et al. 2013). Die Spezialisierung der PAPs könnte der Regulierung verschiedener Gengruppen in Anpassung an die Pflanzenentwicklung und an bestimmte Umweltbedingungen dienen. 
In der vorliegenden Arbeit werden die Phänotypen von Arabidopsis PAP-Mutanten unter verschiedenen Bedingungen im Detail charakterisiert, um die PAP-basierte Genregulation besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass alle drei PAPs an der Regulation der Blühzeit und an der Regulation von Stressantworten beteiligt sind. Während paps1-Mutanten früh blühen, zeigen paps4- und paps2 paps4-Mutanten einen spät blühenden Phänotypen. PAPS1 fördert die Expression des Blühzeitinhibitors FLC vermutlich über die Polyadenylierung eines FLC-Aktivators. PAPS2 und PAPS4 haben teilweise überlappende Funktionen und unterdrücken die Expression von FLC und mindestens einem weiteren, bisher unbekannten Blühzeitinhibitor. Die beiden PAPs agieren in einem neu entdeckten, genetischen Pfad gemeinsam mit dem Blühzeitregulator FCA, jedoch unabhängig von den Polyadenylierungsfaktoren und Blühzeitregulatoren CstF64 und FY. Des Weiteren regulieren PAPS1 und PAPS2/PAPS4  verschiedene Stressantworten. Das Reduzieren der PAPS1-Aktivität führt zu verstärkter Resistenz gegen osmotischen und oxidativen Stress, bei gleichzeitig erhöhter Kältesensitivität der Pflanzen. PAPS2/PAPS4 sind im Gegensatz dazu nicht an der Regulation von Kälte- oder osmotischem Stress beteiligt. Die paps2 paps4-Mutanten besitzen jedoch reduzierte Toleranz gegen oxidativen Stress in Chloroplasten. Das heißt, sowohl PAPS1 als auch PAPS2/PAPS4 sind nötig, um einen ausgeglichenen Redoxstatus der Pflanzenzellen zu gewährleisten. PAPS1 arbeitet bei dieser Regulation scheinbar mit dem Polyadenylierungsfaktor CPSF30 zusammen.
Die individuellen Phänotypen der paps-Mutanten und die spezifischen genetischen Interaktionen der Poly(A)-Polymerasen in Arabidopsis unterstützen das Modell der PAP-abhängigen Polyadenylierung von selektierten mRNAs. Da die Polyadenylierungskomplexe in Hefen, Säugetieren und Pflanzen starke Ähnlichkeiten aufweisen, ist es denkbar, dass dieser Regulierungsmechanismus auch in anderen Organismengruppen präsent ist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit können gezielt weitere Experimente entwickelt werden, um die ökologischen und molekularen Grundlagen der PAP-Spezialisierung zu untersuchen.
KW  - polyadenylation
KW  - flowering
KW  - Polyadenylierung
KW  - Arabidopsis
KW  - Poly(A)-Polymerasen
KW  - Blühzeit
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pussak, Marcin
T1  - Seismic characterization of geothermal reservoirs by application of the common-reflection-surface stack method and attribute analysis
T1  - Seismische Charakterisierung von geothermischen Reservoiren mittels “Common-Reflection-Surface” Stapelungs-Methode und Attribut-Analysen
N2  - An important contribution of geosciences to the renewable energy production portfolio is the exploration and utilization of geothermal resources. For the development of a geothermal project at great depths a detailed geological and geophysical exploration program is required in the first phase. With the help of active seismic methods high-resolution images of the geothermal reservoir can be delivered. This allows potential transport routes for fluids to be identified as well as regions with high potential of heat extraction to be mapped, which indicates favorable conditions for geothermal exploitation. The presented work investigates the extent to which an improved characterization of geothermal reservoirs can be achieved with the new methods of seismic data processing. The summations of traces (stacking) is a crucial step in the processing of seismic reflection data. The common-reflection-surface (CRS) stacking method can be applied as an alternative for the conventional normal moveout (NMO) or the dip moveout (DMO) stack. The advantages of the CRS stack beside an automatic determination of stacking operator parameters include an adequate imaging of arbitrarily curved geological boundaries, and a significant increase in signal-to-noise (S/N) ratio by stacking far more traces than used in a conventional stack. A major innovation I have shown in this work is that the quality of signal attributes that characterize the seismic images can be significantly improved by this modified type of stacking in particular. Imporoved attribute analysis facilitates the interpretation of seismic images and plays a significant role in the characterization of reservoirs. Variations of lithological and petro-physical properties are reflected by fluctuations of specific signal attributes (eg. frequency or amplitude characteristics). Its further interpretation can provide quality assessment of the geothermal reservoir with respect to the capacity of fluids within a hydrological system that can be extracted and utilized. The proposed methodological approach is demonstrated on the basis on two case studies. In the first example, I analyzed a series of 2D seismic profile sections through the Alberta sedimentary basin on the eastern edge of the Canadian Rocky Mountains. In the second application, a 3D seismic volume is characterized in the surroundings of a geothermal borehole, located in the central part of the Polish basin. Both sites were investigated with the modified and improved stacking attribute analyses. The results provide recommendations for the planning of future geothermal plants in both study areas.
N2  - Ein wichtiger Beitrag der Geowissenschaften zur Bereitstellung erneuerbarer Energien besteht in der Nutzbarmachung von geothermischen Ressourcen. Für die Entwicklung von geothermischen Anlagen in großen Tiefen ist in der ersten Phase eine detaillierte geologisch-geophysikalische Erkundung erforderlich. Hierbei werden Informationen über das Temperaturfeld, zur Litho-Stratigraphie und Strukturgeologie, Geomechanik, Hydrogeologie sowie petrophysikalische Eigenschaften im Reservoir-Maßstab benötigt. Mit Hilfe aktiver seismischer Methoden können hochauflösende Abbilder des geothermischen Reservoirs geliefert werden. Dadurch können potentielle Transportwege für Fluide sowie Regionen mit hohem Wärmeabsorptionspotential identifiziert und kartiert werden.
Die vorgelegte Arbeit untersucht, inwieweit mit neuen Methoden der seismischen Datenbearbeitung eine verbesserte Charakterisierung von geothermischen Reservoiren erreicht werden kann. Die Stapelung ist ein entscheidender Schritt bei der Bearbeitung von seismischen Felddaten. Die sogenannte “common-reflection-surface” Stapelung ist eine Erweiterung des klassischen Stapelungs-Konzepts. Durch ihre Anwendung können detailliertere und zuverlässigere Abbilder des Untergrundes gewonnen werden. Als wichtige Neuerung habe ich in der Arbeit aufgezeigt, dass durch diese modifizierte Art der Stapelung insbesondere die Qualität von Signalattribut-Darstellungen der seismischen Abbilder signifikant verbessert wird. Signalattribute sind ein wichtiges Werkzeug bei der Untersuchung von Reservoiren. Variationen der lithologischen und petrophysikalischen Eigenschaften spiegeln sich in Variationen in bestimmten Signalattributen (z.B. Frequenzeigenschaften, Amplitudeneigenschaften) wieder. Daraus kann auf die Qualität des geothermischen Reservoirs, z.B. hinsichtlich der Aufnahmefähigkeit von Fluiden zur Wärmeabsorption in Kreislaufsystemen, geschlossen werden.
Das vorgeschlagenen methodische Konzept wird an Hand von 2 Fallstudien demonstriert. Im ersten Beispiel analysierte ich eine Reihe von 2D seismischen Profilschnitten durch das Alberta-Sedimentbecken am Ostrand der kanadischen Rocky Mountains. Bei der zweiten Anwendung wird ein 3D seismisches Volumen im Umfeld einer Geothermie-Bohrung im Zentralteil des Polnischen Sedimentbeckens mit Hilfe der modifizierten Stapelung und verbesserten Attribut-Analysen charakterisiert. Die Ergebnisse ermöglichen Empfehlungen für die Planung zukünftiger Geothermie-Anlagen in beiden Untersuchungsgebieten.
KW  - seismic
KW  - geothermischer Reservoire
KW  - seismische Stapelungs-Methode
KW  - Attribut-Analysen
KW  - Verarbeitung seismischer Daten
KW  - Common-Reflection-Surface
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77565
ER  - 
TY  - THES
A1  - Conrad, Claudia
T1  - Open cluster groups and complexes
T1  - Gruppen und Komplexe offener Sternhaufen
N2  - It is generally agreed upon that stars typically form in open clusters and stellar associations, but little is known about the structure of the open cluster system. Do open clusters and stellar associations form isolated or do they prefer to form in groups and complexes? Open cluster groups and complexes could verify star forming regions to be larger than expected, which would explain the chemical homogeneity over large areas in the Galactic disk. They would also define an additional level in the hierarchy of star formation and could be used as tracers for the scales of fragmentation in giant molecular clouds? Furthermore, open cluster groups and complexes could affect Galactic dynamics and should be considered in investigations and simulations on the dynamical processes, such as radial migration, disc heating, differential rotation, kinematic resonances, and spiral structure.
In the past decade there were a few studies on open cluster pairs (de La Fuente Marcos & de La Fuente Marcos 2009a,b,c) and on open cluster groups and complexes (Piskunov et al. 2006). The former only considered spatial proximity for the identification of the pairs, while the latter also required tangential velocities to be similar for the members. In this work I used the full set of 6D phase-space information to draw a more detailed picture on these structures. For this purpose I utilised the most homogeneous cluster catalogue available, namely the Catalogue of Open Cluster Data (COCD; Kharchenko et al. 2005a,b), which contains parameters for 650 open clusters and compact associations, as well as for their uniformly selected members. Additional radial velocity (RV) and metallicity ([M/H]) information on the members were obtained from the RAdial Velocity Experiment (RAVE; Steinmetz et al. 2006; Kordopatis et al. 2013) for 110 and 81 clusters, respectively. The RAVE sample was cleaned considering quality parameters and flags provided by RAVE (Matijevič et al. 2012; Kordopatis et al. 2013). To ensure that only real members were included for the mean values, also the cluster membership, as provided by Kharchenko et al. (2005a,b), was considered for the stars cross-matched in RAVE. 
6D phase-space information could be derived for 432 out of the 650 COCD objects and I used an adaption of the Friends-of-Friends algorithm, as used in cosmology, to identify potential groupings. The vast majority of the 19 identified groupings were pairs, but I also found four groups of 4-5 members and one complex with 15 members. For the verification of the identified structures, I compared the results to a randomly selected subsample of the catalogue for the Milky Way global survey of Star Clusters (MWSC; Kharchenko et al. 2013), which became available recently, and was used as reference sample. Furthermore, I implemented Monte-Carlo simulations with randomised samples created from two distinguished input distributions for the spatial and velocity parameters. On the one hand, assuming a uniform distribution in the Galactic disc and, on the other hand, assuming the COCD data distributions to be representative for the whole open cluster population.
The results suggested that the majority of identified pairs are rather by chance alignments, but the groups and the complex seemed to be genuine. A comparison of my results to the pairs, groups and complexes proposed in the literature yielded a partial overlap, which was most likely because of selection effects and different parameters considered. This is another verification for the existence of such structures.
The characteristics of the found groupings favour that members of an open cluster grouping originate from a common giant molecular cloud and formed in a single, but possibly sequential, star formation event. Moreover, the fact that the young open cluster population showed smaller spatial separations between nearest neighbours than the old cluster population indicated that the lifetime of open cluster groupings is most likely comparable to that of the Galactic open cluster population itself. Still even among the old open clusters I could identify groupings, which suggested that the detected structure could be in some cases more long lived as one might think.
In this thesis I could only present a pilot study on structures in the Galactic open cluster population, since the data sample used was highly incomplete. For further investigations a far more complete sample would be required. One step in this direction would be to use data from large current surveys, like SDSS, RAVE, Gaia-ESO and VVV, as well as including results from studies on individual clusters. Later the sample can be completed by data from upcoming missions, like Gaia and 4MOST. Future studies using this more complete open cluster sample will reveal the effect of open cluster groupings on star formation theory and their significance for the kinematics, dynamics and evolution of the Milky Way, and thereby of spiral galaxies.
N2  - Es ist weithin anerkannt, dass Sterne typischerweise in offenen Sternenhaufen und Sternassoziationen entstehen, dennoch ist wenig über Strukturen in diesem System der offenen Sternhaufen bekannt. Entstehen offenen Sternhaufen und Sternassoziationen isoliert oder entstehen sie bevorzugt in Gruppen und Komplexen? Gruppen und Komplexe von offenen Sternhaufen könnten bestätigen, dass Sternentstehungsregionen größer sind als erwartet, was die Homogenität der chemischen Zusammensetzung über weite Areale in der galaktischen Scheibe erklären würde. Sie würden auch eine weitere Stufe in der Hierarchie der Sternentstehung definieren und könnten als Indikatoren für die Skalen der Fragmentierung in Riesenmolekülwolken dienen. Des Weiteren könnten Gruppen und Komplexe von offenen Sternhaufen die Dynamik unserer Galaxis beeinflussen und sollten in Untersuchungen und Simulationen von dynamischen Prozessen, wie radiale Migration, kinematische Aufheizung der Scheibe, differentielle Rotation, kinematische Resonanzen und der Spiralstruktur, miteinbezogen werden.
In den vergangenen Jahrzehnten gab es einigen Studien zu Paaren von offenen Sternhaufen (de La Fuente Marcos & de La Fuente Marcos 2009a,b,c) sowie zu Gruppen und Komplexen von offenen Sternhaufen (Piskunov et al. 2006). Erstere betrachteten ausschließlich räumliche Nähe für die Identifizierung der Paare, während letztere auch ähnliche tangentiale Geschwindigkeiten für die Mitglieder verlangten. In dieser Arbeit nutzte ich den kompletten Satz an 6D-Phasenrauminformationen, um ein vollständigeres Bild dieser Strukturen zu erstellen. Aus diesem Grund habe ich den homogensten Sternhaufenkatalog verwendet, der zu dieser Zeit verfügbar war, nämlich den Catalogue of Open Cluster Data (COCD; Kharchenko et al. 2005a,b), welcher Parameter für 650 offene Sternhaufen und Sternassoziationen, sowie deren einheitlich ausgewählte Mitglieder, enthält. Weitere Radialgeschwindigkeits- (RV) und Metallizitätsinformationen ([M/H]) für die Sternhaufenmitglieder wurden mit Hilfe des RAdial Velocity Experiment (RAVE; Steinmetz et al. 2006; Kordopatis et al. 2013) für 110 beziehungsweise 81 Haufen bestimmt. Der RAVE-Datensatz wurde mit Hilfe von Qualitätsparametern aus RAVE (Matijevič et al. 2012; Kordopatis et al. 2013) gereinigt. Um sicherzustellen, dass nur echte Mitglieder für die Mittelwertbestimmung betrachtet wurden, wurde auch die Haufenmitgliedschaft, wie von Kharchenko et al. (2005a,b) bereitgestellt, für die in RAVE identifizierten Sterne miteinbezogen.
6D-Phasenrauminformationen konnten für 432 der 650 COCD Objekte bestimmt werden und ich habe eine angepasste Variante des Friends-of-Friends Algorithmus genutzt, der in der Kosmologie verwendet wird, um potenzielle Gruppierungen zu identifizieren. Der überwiegende Teil der 19 identifizierten Gruppierungen waren Paare, ich habe aber auch vier Gruppen mit 4-5 Mitgliedern und einen Komplex mit 15 Mitgliedern gefunden. Für die Bestätigung der identifizierten Strukturen, verglich ich die Ergebnisse mit einem zufällig ausgewählten Datensatz aus dem Milky Way global survey of Star Clusters (MWSC; Kharchenko et al. 2013), der kürzlich erst zur Verfügung gestellt wurde und hier als Vergleichsdatensatz verwendet wurde. Des Weiteren, habe ich Monte-Carlo Simulationen mit zufälligen Datensätzen implementiert, die anhand von zwei unterschiedlichen Varianten für die Ausgangsverteilungen der räumlichen und Geschwindigkeitsparameter generiert wurden. Zum Einen unter der Annahme einer gleichmäßigen Verteilung in der galaktischen Scheibe und zum Anderen unter der Annahme, dass die Datenverteilungen im COCD repräsentativ sind für die gesamte Population der offenen Sternhaufen.
Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Mehrheit der identifizierten Paare eher zufällige Anordnungen sind, aber die Gruppen und der Komplex schienen echt zu sein. Ein Vergleich meiner Ergebnisse mit den in der Literatur vorgeschlagenen Paaren, Gruppen und Komplexen ergab eine teilweise Überschneidung, die höchstwahrscheinlich durch Auswahleffekte und die Verwendung unterschiedlicher Parameter bedingt war. Dies ist eine weitere Bestätigung für die Existenz solcher Strukturen.
Die Eigenschaften der gefundenen Gruppierungen bevorzugen, dass die Mitglieder einer Gruppierung von offenen Sternhaufen aus einer gemeinsamen Riesenmolekülwolke stammen und in einem Sternentstehungsereignis geformt wurden, das möglicherweise auch sequenziell ablief. Außerdem zeigte die junge Population der offenen Sternhaufen kleinere räumliche Abstände zwischen den nächsten Nachbarn als die alte Haufenpopulation, was darauf hindeutet, dass die Lebenszeit von Gruppierungen von offenen Sternhaufen vergleichbar ist mit der für die Population galaktischer offener Sternhaufen selbst. Dennoch wurden auch unter den alten offenen Sternhaufen Gruppierungen identifiziert, was andeutete, dass die gefundenen Strukturen doch in einigen Fällen langlebiger ist als man denken könnte.
In dieser Doktorarbeit konnte ich nur eine Pilotstudie zu Strukturen in der Population der galaktischen offenen Sternhaufen präsentieren, da der verwendete Datensatz höchst unvollständig war. Für zukünftige Untersuchungen wäre ein deutlich vollständigerer Datensatz notwendig. Ein Schritt in diese Richtung wäre die Verwendung von Daten aus großen momentan verfügbaren Beobachtungskampagnen, wie dem SDSS, RAVE, Gaia-ESO und dem VVV, sowie das miteinbeziehen der Ergebnisse von Studien an einzelnen offenen Sternhaufen. Später könnte dieser Datensatz durch die Verwendung von Daten aus kommenden Missionen, wie Gaia und 4MOST, komplettiert werden. Zukünftige Studien mit einem vollständigeren Datensatz werden den Einfluss von Gruppierungen von offenen Sternhaufen für die Sternentstehungstheorie und ihre Bedeutung für die Kinematik, Dynamik und Entwicklung der Milchstraße, und damit auch für andere Spiralgalaxien, enträtseln.
KW  - open clusters and stellar associations
KW  - stellar populations
KW  - offene Sternhaufen und stellare Assoziationen
KW  - Sternpopulationen
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77605
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heise, Arvid
T1  - Data cleansing and integration operators for a parallel data analytics platform
T1  - Datenreinigungs- und Integrationsoperatoren für ein
paralles Datenanalyseframework
N2  - The data quality of real-world datasets need to be constantly monitored and maintained to allow organizations and individuals to reliably use their data. Especially, data integration projects suffer from poor initial data quality and as a consequence consume more effort and money. Commercial products and research prototypes for data cleansing and integration help users to improve the quality of individual and combined datasets. They can be divided into either standalone systems or database management system (DBMS) extensions. On the one hand, standalone systems do not interact well with DBMS and require time-consuming data imports and exports. On the other hand, DBMS extensions are often limited by the underlying system and do not cover the full set of data cleansing and integration tasks.

We overcome both limitations by implementing a concise set of five data cleansing and integration operators on the parallel data analytics platform Stratosphere. We define the semantics of the operators, present their parallel implementation, and devise optimization techniques for individual operators and combinations thereof. Users specify declarative queries in our query language METEOR with our new operators to improve the data quality of individual datasets or integrate them to larger datasets. By integrating the data cleansing operators into the higher level language layer of Stratosphere, users can easily combine cleansing operators with operators from other domains, such as information extraction, to complex data flows. Through a generic description of the operators, the Stratosphere optimizer reorders operators even from different domains to find better query plans.

As a case study, we reimplemented a part of the large Open Government Data integration project GovWILD with our new operators and show that our queries run significantly faster than the original GovWILD queries, which rely on relational operators. Evaluation reveals that our operators exhibit good scalability on up to 100 cores, so that even larger inputs can be efficiently processed by scaling out to more machines. Finally, our scripts are considerably shorter than the original GovWILD scripts, which results in better maintainability of the scripts.
N2  - Die Datenqualität von Realweltdaten muss ständig überwacht und gewartet werden, damit Organisationen und Individuen ihre Daten verlässlich nutzen können. Besonders Datenintegrationsprojekte leiden unter schlechter Datenqualität in den Quelldaten und benötigen somit mehr Zeit und Geld. Kommerzielle Produkte und Forschungsprototypen helfen Nutzern die Qualität in einzelnen und kombinierten Datensätzen zu verbessern. Die Systeme können in selbständige Systeme und Erweiterungen von bestehenden Datenbankmanagementsystemen (DBMS) unterteilt werden. Auf der einen Seite interagieren selbständige Systeme nicht gut mit DBMS und brauchen zeitaufwändigen Datenimport und -export. Auf der anderen Seite sind die DBMS Erweiterungen häufig durch das unterliegende System limitiert und unterstützen nicht die gesamte Bandbreite an Datenreinigungs- und -integrationsaufgaben.

Wir überwinden beide Limitationen, indem wir eine Menge von häufig benötigten Datenreinigungs- und Datenintegrationsoperatoren direkt in der parallelen Datenanalyseplattform Stratosphere implementieren. Wir definieren die Semantik der Operatoren, präsentieren deren parallele Implementierung und entwickeln Optimierungstechniken für die einzelnen und mehrere Operatoren. Nutzer können deklarative Anfragen in unserer Anfragesprache METEOR mit unseren neuen Operatoren formulieren, um die Datenqualität von einzelnen Datensätzen zu erhöhen, oder um sie zu größeren Datensätzen zu integrieren. Durch die Integration der Operatoren in die Hochsprachenschicht von Stratosphere können Nutzer Datenreinigungsoperatoren einfach mit Operatoren aus anderen Domänen wie Informationsextraktion zu komplexen Datenflüssen kombinieren. Da Stratosphere Operatoren durch generische Beschreibungen in den Optimierer integriert werden, ist es für den Optimierer sogar möglich Operatoren unterschiedlicher Domänen zu vertauschen, um besseren Anfrageplänen zu ermitteln.

Für eine Fallstudie haben wir Teile des großen Datenintegrationsprojektes GovWILD auf Stratosphere mit den neuen Operatoren nachimplementiert und zeigen, dass unsere Anfragen signifikant schneller laufen als die originalen GovWILD Anfragen, die sich auf relationale Operatoren verlassen. Die Evaluation zeigt, dass unsere Operatoren gut auf bis zu 100 Kernen skalieren, sodass sogar größere Datensätze effizient verarbeitet werden können, indem die Anfragen auf mehr Maschinen ausgeführt werden. Schließlich sind unsere Skripte erheblich kürzer als die originalen GovWILD Skripte, was in besserer Wartbarkeit unserer Skripte resultiert.
KW  - data
KW  - cleansing
KW  - holistic
KW  - parallel
KW  - map reduce
KW  - Datenreinigung
KW  - Datenintegration
KW  - ganzheitlich
KW  - parallel
KW  - map reduce
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77100
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kirchhecker, Sarah
T1  - Renewable imidazolium zwitterions as platform molecules for the synthesis of ionic liquids and materials
T1  - Neue funktionalisierte Imidazoliumverbindungen als Bausteinmoleküle aus Biomasse und ihre Verwendung zur Synthese von ionischen Flüssigkeiten und Materialien
N2  - Following the principles of green chemistry, a simple and efficient synthesis of functionalised imidazolium zwitterionic compounds from renewable resources was developed based on a modified one-pot Debus-Radziszewski reaction. The combination of different carbohydrate-derived 1,2-dicarbonyl compounds and amino acids is a simple way to modulate the properties and introduce different functionalities. A representative compound was assessed as an acid catalyst, and converted into acidic ionic liquids by reaction with several strong acids. The reactivity of the double carboxylic functionality was explored by esterification with long and short chain alcohols, as well as functionalised amines, which led to the straightforward formation of surfactant-like molecules or bifunctional esters and amides. One of these di-esters is currently being investigated for the synthesis of poly(ionic liquids). The functionalisation of cellulose with one of the bifunctional esters was investigated and preliminary tests employing it for the functionalisation of filter papers were carried out successfully. The imidazolium zwitterions were converted into ionic liquids via hydrothermal decarboxylation in flow, a benign and scalable technique. This method provides access to imidazolium ionic liquids via a simple and sustainable methodology, whilst completely avoiding contamination with halide salts. Different ionic liquids can be generated depending on the functionality contained in the ImZw precursor. Two alanine-derived ionic liquids were assessed for their physicochemical properties and applications as solvents for the dissolution of cellulose and the Heck coupling.
N2  - In dieser Arbeit wurden, den Prinzipien der nachhaltigen Chemie folgend, neue funktionalisierte Imidazolium-Verbindungen aus Biomasse hergestellt. Diese wurden als Plattformmoleküle verwendet, die durch einfache Derivation in verschiedene andere Verbindungen überführt, und als Bausteine für die Herstellung von Materialien genutzt werden können.

Imidazolium Zwitterionen (ImZw) wurden in Eintopfreaktionen in Wasser dargestellt, wobei alle Ausgangsstoffe auf  nachwachsenden Rohstoffen basierten Durch die Verwendung von Aminosaeuren wurden die ImZw durch die Wahl der verschiedenen Seitenketten direkt funktionalisiert.

Die Säureeigenschaften der Moleküle wurden bestimmt und ihre Eignung als Katalysatoren überprüft. An einer Modellverbindung ewurden verschiedene Modifikationen der Carboxylgruppen unternommen, u.a. wurde es mit verschiedenen Alkoholen esterifiziert, und anfolgend auch mit verschiedenen Aminen amidiert. Eines von den esterifizierten ImZw wurde als Monomer für die Synthese einer komplett aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten polyionischen Flüssigkeit verwendet, sowie für die Funktionalisierung von Cellulosefasern und Filterpapieren.

Des weiteren wurden die ImZw unter hydrothermalen Bedingungen in der Gegenwart von Essigsäure decarboxyliert und so in ionische Flüssigkeiten überführt. Diese Reaktionen wurden in einem Durchflußreaktor durchgeführt, der gegenüber anderen Synthesemethoden weniger Energie verwendet. Die so hergestellten ionischen Flüssigkeiten wurden in zwei Anwendungen getestet, wo sie sehr vielversprechende Ergebnisse zeigten. Eine wurde als Lösungsmittel in einer Heck Reaktion verwendet, wo der Pd-Katalysator 5 mal ohne Aktivitätsverlust recycelt werden konnte eine andere konnte einen hohe Menge an Cellulose (16.9 wt%) lösen.
KW  - ionic liquids
KW  - platform chemicals
KW  - renewables
KW  - imidazolium
KW  - green chemistry
KW  - hydrothermal
KW  - ionische Flüssigkeiten
KW  - nachhaltige Chemie
KW  - Imidazolium
KW  - Zwitterionen
KW  - nachwachsende Rohstoffe
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77412
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fronton, Ludivine
T1  - Modeling approaches to characterize the disposition of monoclonal antibodies
T1  - Modellierungsansätze zur Charakterisierung der Verteilung und Eliminierung monoklonaler Antikörper
BT  - from detailed PBPK models to classical compartment models
BT  - vom detaillierten PBPK-Model zum klassischen Kompartiment-Model
N2  - Monoclonal antibodies (mAbs) are engineered immunoglobulins G (IgG) used for more than 20 years as targeted therapy in oncology, infectious diseases and (auto-)immune disorders. Their protein nature greatly influences their pharmacokinetics (PK), presenting typical linear and non-linear behaviors.

While it is common to use empirical modeling to analyze clinical PK data of mAbs, there is neither clear consensus nor guidance to, on one hand, select the structure of classical compartment models and on the other hand, interpret mechanistically PK parameters. The mechanistic knowledge present in physiologically-based PK (PBPK) models is likely to support rational classical model selection and thus, a methodology to link empirical and PBPK models is desirable. However, published PBPK models for mAbs are quite diverse in respect to the physiology of distribution spaces and the parameterization of the non-specific elimination involving the neonatal Fc receptor (FcRn) and endogenous IgG (IgGendo). The remarkable discrepancy between the simplicity of biodistribution data and the complexity of published PBPK models translates in parameter identifiability issues.

In this thesis, we address this problem with a simplified PBPK model—derived from a hierarchy of more detailed PBPK models and based on simplifications of tissue distribution model. With the novel tissue model, we are breaking new grounds in mechanistic modeling of mAbs disposition: We demonstrate that binding to FcRn is indeed linear and that it is not possible to infer which tissues are involved in the unspecific elimination of wild-type mAbs. We also provide a new approach to predict tissue partition coefficients based on mechanistic insights: We directly link tissue partition coefficients (Ktis) to data-driven and species-independent published antibody biodistribution coefficients (ABCtis) and thus, we ensure the extrapolation from pre-clinical species to human with the simplified PBPK model. We further extend the simplified PBPK model to account for a target, relevant to characterize the non-linear clearance due to mAb-target interaction.

With model reduction techniques, we reduce the dimensionality of the simplified PBPK model to design 2-compartment models, thus guiding classical model development with physiological and mechanistic interpretation of the PK parameters. We finally derive a new scaling approach for anatomical and physiological parameters in PBPK models that translates the inter-individual variability into the design of mechanistic covariate models with direct link to classical compartment models, specially useful for PK population analysis during clinical development.
N2  - Monoklonale Antikörper (mAbs) sind gentechnisch hergestellte Immunglobuline G (IgG), die seit mehr als 20 Jahren therapeutisch gezielt gegen spezifische Antigene eingesetzt werden. Die Hauptindikationen sind vor allem die Gebiete Onkologie, Infektions- und (Auto-)Immun-Erkrankungen. Monoklonale Antikörper sind hydrophile und geladene Moleküle mit hoher Affinität und Selektivität für ihr Target. Diese Eigenschaften haben einen groçen Einfluss auf die Pharmacokinetik (PK), wobei oft lineares und nicht-lineares Verhalten beobachtet wird. Mathematische Modelle, wie zum Beispiel empirische Modelle, werden routinemässig in der Forschung und Entwicklung verwendet, um die PK für mAbs zu charakterisieren. Hingegen sind physiologisch-basierte PK (PBPK) Modelle für mAbs nur begrenzt einsetzbar.

Zur Identifikation und Quantifizierung der Variabilität in klinischen PK-Daten werden meistens empirische 2-Kompartiment Modelle für populationspharmakokinetischen Analysen eingesetzt. Allerdings gibt es weder einen klaren Konsens noch Richtlinien, um lineare und nicht-lineare Clearances zu erklären und um physiologische und mechanistische PK-Parameter zu interpretieren. Prädiktive PBPK-Modelle, die für mAbs publiziert wurden, sind sehr unterschiedlich in Bezug auf die betrachteten Verteilungsvolumina (vaskulär, interstitiell, endosomal) und die Parametrisierung der nicht-spezifischen Elimination durch den neonatalen Fc-Rezeptor und endogenes IgG. Je detaillierter die Beschreibung dieser Prozesse ist, desto mehr Parameter werden benötigt. Allerdings sind deren Werte oftmals nicht bekannt. Dies führt zu Problemen in der Identifizierbarkeit bei den üblicherweise zur Verfügung stehenden in vivo
Verteilungsdaten.

In der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir hierarchisch aufgebaute PBPK Modelle für mAbs. Dazu gehören detaillierte, intermediäre und vereinfachte Modelle, deren Ableitungen auf Simplifizierungen des Gewebe-Verteilungs-Modells basieren. Mit dem neuen, vereinfachten PBPK Modell können wir einen Einblick in die mechanistische Interpretation von Gewebe-Verteilungskoeffizienten geben. Diese können mit publizierten, auf Daten basierenden Antikörper Biodistributions Koeffizienten verglichen werden. Weiterhin erlaubt ein simplifiziertes Modell Parameter Identifizierbarkeit und die Auswahl an Gewebe, die bei der nicht-spezifischen Eliminierung der mAbs eine Rolle spielen. Das vereinfachte PBPK Modell kann nach Bedarf um ein Target erweitert werden, das relevant ist für die nicht-lineare Clearance in Folge einer mAb-Target Interaktion zu erklären.

Mit Hilfe von Techniken zur Modell-Reduktion reduzieren wir das vereinfachte PBPK Modell, um Kompartiment-Modelle mit niedriger Dimensionalität zu entwickeln. Dadurch wird die physiologische und mechanistische Interpretation der PK Parameter garantiert. Zuletzt leiten wir eine neue Skalierungsmethode für anatomische und physiologische Parameter ab. Sie ermöglicht die Translation der inter-individuellen Variabilität in das Design eines mechanistischen Covariat-Models mit direktem Link zu klassischen Kompartiment-Modellen. Dies ist vor allem für populationspharmakokinetischen Analysen wÃdhrend der klinischen Entwicklung hilfreich.
KW  - mAb disposition
KW  - PBPK
KW  - extravasation-rate limited tissue model
KW  - classical compartment model
KW  - mAb Disposition
KW  - PBPK
KW  - Extravasation-rate limited Gewebemodelle
KW  - Kompartiment-Modelle
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76537
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitt, Clemens Nikolaus Zeno
T1  - The role of protein metal complexes in the mechanics of Mytilus californianus byssal threads
T1  - Der Einfluss von Protein-Metall-Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften der Byssusfäden von Mytilus californianus
N2  - Protein-metal coordination complexes are well known as active centers in enzymatic catalysis, and to contribute to signal transduction, gas transport, and to hormone function. Additionally, they are now known to contribute as load-bearing cross-links to the mechanical properties of several biological materials, including the jaws of Nereis worms and the byssal threads of marine mussels. The primary aim of this thesis work is to better understand the role of protein-metal cross-links in the mechanical properties of biological materials, using the mussel byssus as a model system. Specifically, the focus is on histidine-metal cross-links as sacrificial bonds in the fibrous core of the byssal thread (Chapter 4) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)-metal bonds in the protective thread cuticle (Chapter 5).
Byssal threads are protein fibers, which mussels use to attach to various substrates at the seashore. These relatively stiff fibers have the ability to extend up to about 100 % strain, dissipating large amounts of mechanical energy from crashing waves, for example. Remarkably, following damage from cyclic loading, initial mechanical properties are subsequently recovered by a material-intrinsic self-healing capability. Histidine residues coordinated to transition metal ions in the proteins comprising the fibrous thread core have been suggested as reversible sacrificial bonds that contribute to self-healing; however, this remains to be substantiated in situ. In the first part of this thesis, the role of metal coordination bonds in the thread core was investigated using several spectroscopic methods. In particular, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to probe the coordination environment of zinc in Mytilus californianus threads at various stages during stretching and subsequent healing. Analysis of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests that tensile deformation of threads is correlated with the rupture of Zn-coordination bonds and that self-healing is connected with the reorganization of Zn-coordination bond topologies rather than the mere reformation of Zn-coordination bonds. These findings have interesting implications for the design of self-healing metallopolymers.
The byssus cuticle is a protective coating surrounding the fibrous thread core that is both as hard as an epoxy and extensible up to 100 % strain before cracking. It was shown previously that cuticle stiffness and hardness largely depend on the presence of Fe-DOPA coordination bonds. However, the byssus is known to concentrate a large variety of metals from seawater, some of which are also capable of binding DOPA (e.g. V). Therefore, the question arises whether natural variation of metal composition can affect the mechanical performance of the byssal thread cuticle. To investigate this hypothesis, nanoindentation and confocal Raman spectroscopy were applied to the cuticle of native threads, threads with metals removed (EDTA treated), and threads in which the metal ions in the native tissue were replaced by either Fe or V. Interestingly, replacement of metal ions with either Fe or V leads to the full recovery of native mechanical properties with no statistical difference between each other or the native properties. This likely indicates that a fixed number of metal coordination sites are maintained within the byssal thread cuticle – possibly achieved during thread formation – which may provide an evolutionarily relevant mechanism for maintaining reliable mechanics in an unpredictable environment.
While the dynamic exchange of bonds plays a vital role in the mechanical behavior and self-healing in the thread core by allowing them to act as reversible sacrificial bonds, the compatibility of DOPA with other metals allows an inherent adaptability of the thread cuticle to changing circumstances. The requirements to both of these materials can be met by the dynamic nature of the protein-metal cross-links, whereas covalent cross-linking would fail to provide the adaptability of the cuticle and the self-healing of the core. In summary, these studies of the thread core and the thread cuticle serve to underline the important and dynamic roles of protein-metal coordination in the mechanical function of load-bearing protein fibers, such as the mussel byssus.
N2  - Protein-Metall Bindungen sind vor allem durch ihre Rolle in physiologischen Prozessen bekannt. Vor kurzem jedoch wurde eine völlig andere Funktion dieser chemischen Bindungen, als lasttragendes Vernetzungselement in Kieferzangen mariner Ringelwürmer der Gattung Nereis und Byssusfäden mariner Muscheln der Gattung Mytilus (Miesmuscheln) entdeckt. Ziel dieser Dissertation ist es, am Beispiel von M. californianus Byssusfäden, ein besseres Verständnis des Einflusses von Protein-Metall Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften biologischer Materialien zu erlangen.
Byssusfäden sind Proteinfasern, welche Miesmuscheln zur sicheren Befestigung verwenden. Diese relativ steifen Fäden können bis zu 100 % gedehnt zu werden, ohne zu brechen. Bei sofortiger Wiederbelastung zeigt sich jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Erstaunlicherweise können sich die mechanischen Eigenschaften der Fäden hiervon wieder erholen. Es wird angenommen, dass im Faserkern der Byssusfäden die Aminosäure Histidin Bindungen mit Metallionen eingeht, welche als reversible Opferbindungen fungieren können und so einen Selbstheilungsprozess ermöglichen. In dieser Arbeit wurde der Beitrag von Protein-Zink Bindungen zur Mechanik der Byssusfäden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), untersucht. Die ermittelten Daten legen nahe, dass Zn-Aminosäure Bindungen unter Dehnung der Byssusfäden brechen. Des Weiteren scheint der Selbstheilungsprozess nicht auf der bloßen Wiederherstellung dieser Bindungen zu beruhen, sondern viel mehr auf der Regenerierung der anfänglichen Bindungsstruktur und -verteilung. Diese Erkenntnisse stellen interessante Konzepte für die Entwicklung von selbstheilenden Metallopolymeren bereit.
Die relativ harte Hülle der Byssusfäden schützt den Faserkern vor Abrieb. Laut Literatur basiert ihre Härte und Steifigkeit hauptsächlich auf der Quervernetzung durch Fe-DOPA (eine modifizierte Aminosäure) Bindungen. Jedoch können verschiedene Metalle aus dem Meerwasser in Byssusfäden aufgenommen werden und auch Bindungen mit DOPA bilden. Daher stellt sich die Frage, nach dem Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Metallzusammensetzung der Byssushülle. Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Metallionen aus der Hülle natürlicher Byssusfäden entfernt, und durch entweder Fe oder V ersetzt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften der Hüllen der behandelten und unbehandelten Byssusfäden mittels Nanoindentierung bestimmt. Interessanterweise besteht kein Unterschied der mechanischen Eigenschaften der natürlichen und modifizierten Hüllen der Byssusfäden, was dafür spricht, dass in der Hülle der Byssusfäden eine feste Anzahl an Protein-Metall Quervernetzungspunkten vorhanden ist, die möglicherweise durch den speziellen Produktionsprozess der Fäden festgelegt wird. Dies könnte eine evolutionäre Anpassung des Byssus darstellen, um eine verlässliche Verankerung des Organismus in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten.
Während die Dynamik der Protein-Metall Bindungen ihnen eine Rolle als chemische Opferbindung im selbstheilenden Faserkern erlaubt, ermöglicht sie die Funktion der Hülle unter Verwendung verschiedener Metalle. Andere nicht-kovalente Wechselwirkungen haben sicherlich eine ähnliche Dynamik, und kovalente Bindungen sind stabiler, aber nur Protein-Metall Bindungen erlauben eine stabile und dynamische Quervernetzung, ohne die weder das Anpassungsvermögen der Hülle, noch das Selbstheilungsvermögen des Faserkerns möglich wären. Die Untersuchungen der Hülle und des Faserkerns der Byssusfäden verdeutlichen die Wichtigkeit der Protein-Metall Bindungen und ihrer Dynamik für die mechanische Funktion lasttragender Proteinfasern, wie dem Byssus der Miesmuscheln.
KW  - biomaterials
KW  - self-healing materials
KW  - protein-metal interaction
KW  - Biomaterialien
KW  - selbstheilende Materialien
KW  - Protein-Metall-Wechselwirkung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74216
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reiter, Karsten
T1  - Crustal stress variability across spatial scales - examples from Canada, Northern Switzerland and a South African gold mine
T1  - Die Variabilität der krustalen Spannungen auf 
räumlichen unterschiedlichen Skalen – Beispiele von Kanada, der Nordschweiz und einer Südafrikanischen Goldmine
N2  - The quantitative descriptions of the state of stress in the Earth’s crust, and spatial-temporal stress changes are of great importance in terms of scientific questions as well as applied geotechnical issues. Human activities in the underground (boreholes, tunnels, caverns, reservoir management, etc.) have a large impact on the stress state. It is important to assess, whether these activities may lead to (unpredictable) hazards, such as induced seismicity. Equally important is the understanding of the in situ stress state in the Earth’s crust, as it allows the determination of safe well paths, already during well planning. The same goes for the optimal configuration of the injection- and production wells, where stimulation for artificial fluid path ways is necessary.

The here presented cumulative dissertation consists of four separate manuscripts, which are already published, submitted or will be submitted for peer review within the next weeks. The main focus is on the investigation of the possible usage of geothermal energy in the province Alberta (Canada). A 3-D geomechanical–numerical model was designed to quantify the contemporary 3-D stress tensor in the upper crust. For the calibration of the regional model, 321 stress orientation data and 2714 stress magnitude data were collected, whereby the size and diversity of the database is unique. A calibration scheme was developed, where the model is calibrated versus the in situ stress data stepwise for each data type and gradually optimized using statistically test methods. The optimum displacement on the model boundaries can be determined by bivariate linear regression, based on only three model runs with varying deformation ratio. The best-fit model is able to predict most of the in situ stress data quite well. Thus, the model can provide the full stress tensor along any chosen virtual well paths. This can be used to optimize the orientation of horizontal wells, which e.g. can be used for reservoir stimulation. The model confirms regional deviations from the average stress orientation trend, such as in the region of the Peace River Arch and the Bow Island Arch.

In the context of data compilation for the Alberta stress model, the Canadian database of the World Stress Map (WSM) could be expanded by including 514 new data records. This publication of an update of the Canadian stress map after ~20 years with a specific focus on Alberta shows, that the maximum horizontal stress (SHmax) is oriented southwest to northeast over large areas in Northern America. The SHmax orientation in Alberta is very homogeneous, with an average of about 47°. In order to calculate the average SHmax orientation on a regular grid as well as to estimate the wave-length of stress orientation, an existing algorithm has been improved and is applied to the Canadian data. The newly introduced quasi interquartile range on the circle (QIROC) improves the variance estimation of periodic data, as it is less susceptible to its outliers. 

Another geomechanical–numerical model was built to estimate the 3D stress tensor in the target area ”Nördlich Lägern” in Northern Switzerland. This location, with Opalinus clay as a host rock, is a potential repository site for high-level radioactive waste. The performed modelling aims to investigate the sensitivity of the stress tensor on tectonic shortening, topography, faults and variable rock properties within the Mesozoic sedimentary stack, according to the required stability needed for a suitable radioactive waste disposal site. The majority of the tectonic stresses caused by the far-field shortening from the South are admitted by the competent rock units in the footwall and hanging wall of the argillaceous target horizon, the Upper Malm and Upper Muschelkalk. Thus, the differential stress within the host rock remains relatively low. East-west striking faults release stresses driven by tectonic shortening. The purely gravitational influence by the topography is low; higher SHmax magnitudes below topographical depression and lower values below hills are mainly observed near the surface. A complete calibration of the model is not possible, as no stress magnitude data are available for calibration, yet. The collection of this data will begin in 2015; subsequently they will be used to adjust the geomechanical–numerical model again.

The third geomechanical–numerical model investigates the stress variation in an ultra-deep gold mine in South Africa. This reservoir model is spatially one order of magnitude smaller than the previous local model from Northern Switzerland. Here, the primary focus is to investigate the hypothesis that the Mw 1.9 earthquake on 27 December 2007 was induced by stress changes due to the mining process. The Coulomb failure stress change (DeltaCFS) was used to analyse the stress change. It confirmed that the seismic event was induced by static stress transfer due to the mining progress. The rock was brought closer to failure on the derived rupture plane by stress changes of up to 1.5–15MPa, in dependence of the DeltaCFS analysis type. A forward modelling of a generic excavation scheme reveals that with decreasing distance to the dyke the DeltaCFS values increase significantly. Hence, even small changes in the mining progress can have a significant impact on the seismic hazard risk, i.e. the change of the occurrence probability to induce a seismic event of economic concern.
N2  - Die quantitative Beschreibung des Spannungszustandes in der Erdkruste sowie dessen räumlichzeitliche Änderung ist von großer Bedeutung für wissenschaftliche Fragestellungen, sowie für industrielle Anwendung im geotechnischen Bereich. Bei jedem Eingriff des Menschen in den Untergrund (Bohrungen, Tunnel, Kavernen, Reservoirmanagement etc.) wird der Spannungszustand verändert. Entscheidend ist dabei, ob davon möglicherweise (unvorhersehbare) Gefahren, wie zum Beispiel induzierte Seismizität ausgehen können. Genauso wichtig ist auch ein Verständnis des ungestörten Spannungszustandes in der Erdkruste, um zum Beispiel sichere Bohrlochpfade bereits in der Planungsphase zu bestimmen. Selbiges gilt für eine optimale Konfiguration von Injektions- und Produktionsbohrung, wenn künstliche Fluidwegsamkeiten stimuliert werden müssen.

Die vorliegende kumulative Dissertation besteht aus vier Manuskripten, welche teilweise bereits publiziert sind. Fokus der beiden ersten Publikationen ist die potentielle Nutzung von Geothermie in der Provinz Alberta (Kanada). Dafür wurde ein 3-D-geomechanisch-numerisches Modell erstellt, das den kompletten gegenwärtigen 3-D-Spannungstensor in der oberen Erdkruste quantifiziert. Für die Kalibrierung des regionalen Modells wurde ein Datensatz von 321 Spannungsorientierungen und 2714 Spannungsmagnituden zusammengetragen, dessen Größe und Diversität einmalig ist. Aufgrund der vorhandenen Datenbasis wurde ein Kalibrierungsschema entwickelt, bei dem das Modell statistisch abgesichert an jedem einzelnen vorhandenen Datentyp schrittweise getestet und optimiert wird. Das optimale Verhältnis der Randbedingungen des Modells kann dabei durch bivariate lineare Regression, auf der Basis von nur drei Modellläufen bestimmt werden. Das Best-fit-Modell kann den Großteil der in situ Spannungsdaten sehr gut reproduzieren. So kann das Modell den 3-D-Spannungstensor entlang beliebiger virtueller Bohrlochpfade liefern, die zum Beispiel für die Planung der optimalen Orientierung horizontaler Stimulationsbohrungen genutzt werden können. Das Modell bestätigt regionale Abweichungen der Spannungsorientierung vom generellen Trend, wie z.B. in der Region des Peace River Bogens und des Bow Island Bogen.

Im Zusammenhang mit der Erstellung des Alberta-Spannungsmodells wurde die Datenbank der Weltspannungskarte (WSM) in der Region Kanada um 514 neue Datensätzen erweitert und alle bestehenden Datensätze überprüft. Dies ermöglichte es nach ca. 20 Jahren, eine aktualisierte Spannungskarte für Kanada mit einem vertiefenden Fokus auf die Provinz Alberta zu publizieren. Die maximale horizontale Spannung (SHmax) in weiten Teilen Nordamerikas ist Südwest nach Nordost orientiert. Die SHmax Orientierung in Alberta ist sehr homogen, im Mittel etwa 47°. Zur Berechnung der mittleren SHmax–Orientierung auf einem regelmäßigen Gitter und zur Ableitung des Spannungsmusters dieser Orientierung wurde ein existierender Algorithmus verbessert und auf den kanadischen Datensatz angewendet. Dabei wurde der Quasi Interquartilsabstand am Kreis (QIROC) neu eingeführt, um die Varianz eines periodischen Datensatzes besser abschätzen zu können. Der modifizierte Algorithmus ist weniger anfällig gegenüber Ausreißern in periodischen Datensätzen, als der Vorgänger.

Ein weiteres geomechanisch-numerisches Modell zur kontinuierlichen Beschreibung des 3-D-Spannungstensors wurde für das Gebiet „Nördlich Lägern” in der Nordschweiz erstellt. Diese Region ist ein potentieller Endlagerstandort für hochradioaktiven Abfall, eingelagert im Wirtsgestein Opalinuston. Der Fokus des Modells ist es, die Sensitivität des Spannungsfeldes von tektonischem Schub, Topographie, Störungen und den variablen Gesteinseigenschaften im mesozoischen Sedimentstapel auf den Spannungstensor zu untersuchen. Der Hauptanteil der tektonischen Spannungen, verursacht durch den Fernfeldschub von Süden, wird vor allem durch die mechanisch kompetenten Schichten im Liegenden und Hangenden des tonigen Zielhorizontes, dem Oberen Malm und dem Oberen Muschelkalk aufgenommen. Dadurch bleiben die Differenzspannungen in den tonigen Formationen relativ gering. Ost-West streichende Störungen bauen zudem Spannungen des Fernfeldes ab. Der rein gravitative Einfluss der Topographie ist gering; höhere SHmax–Magnituden unterhalb topographischer Depressionen und geringere Werte unter Anhöhen sind vor allem oberflächennah zu beobachten. Eine Kalibrierung des Modells ist nicht abschließend möglich, da im Untersuchungsgebiet keine Spannungsmagnituden zur Verfügung stehen. Diese werden erst in der nächsten Etappe der Endlagersuche, die in 2015 beginnen wird erhoben, sodass das Modell dann gegebenenfalls angepasst werden muss.

Das dritte geomechanisch-numerische Modell eines Abschnitts einer tiefliegenden Goldmine in Südafrika ist räumlich gesehen nochmals eine Größenordnung kleiner als das vorherige lokale Modell in der Nordschweiz. Es wurde die Hypothese untersucht, ob das Mw 1.9 Erdbeben am 27. Dezember 2007 durch den Abbau verursacht wurde. Die Analyse der durch die Abbautätigkeit umgelagerten Spannungen unter Nutzung der Spannungsänderung des Coulomb Versagenskriteriums (DeltaCFS) zeigt klar, dass das seismische Ereignis induziert wurde. Das Gestein wurde entlang der Bruchfläche um 1.5 bis 15MPa dem Versagen näher gebracht, je nachdem welche DeltaCFS Analysemethode angewendet wird und unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Orientierung der Herdflächenlösung sowie der Modellparameter. Eine Vorwärtsmodellierung eines generischen Abbauprozesses zeigt exponentiell steigende DeltaCFS–Werte mit abnehmender Distanz des Abbaus zu dem magmatischen Aufstiegskanal, in dem das Beben stattfand. Folglich haben geringe Änderungen des Abbauprozesses entscheidenden Einfluss auf die Eintretenswahrscheinlichkeit eines seismischen Ereignisses.
KW  - stress pattern
KW  - tectonic stress
KW  - circular statistics
KW  - 3D geomechanical numerical model
KW  - crustal stress
KW  - tektonische Spannungen
KW  - Spannungsmuster
KW  - krustale  Spannungen
KW  - zirkulare Statistik
KW  - 3D geomechanisch-nummerische Modellierung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76762
ER  -