TY - THES A1 - Fulat, Karol T1 - Electron acceleration at quasi-perpendicular shocks in supernova remnants N2 - Astrophysical shocks, driven by explosive events such as supernovae, efficiently accelerate charged particles to relativistic energies. The majority of these shocks occur in collisionless plasmas where the energy transfer is dominated by particle-wave interactions.Strong nonrelativistic shocks found in supernova remnants are plausible sites of galactic cosmic ray production, and the observed emission indicates the presence of nonthermal electrons. To participate in the primary mechanism of energy gain - Diffusive Shock Acceleration - electrons must have a highly suprathermal energy, implying a need for very efficient pre-acceleration. This poorly understood aspect of the shock acceleration theory is known as the electron injection problem. Studying electron-scale phenomena requires the use of fully kinetic particle-in-cell (PIC) simulations, which describe collisionless plasma from first principles. Most published studies consider a homogenous upstream medium, but turbulence is ubiquitous in astrophysical environments and is typically driven at magnetohydrodynamic scales, cascading down to kinetic scales. For the first time, I investigate how preexisting turbulence affects electron acceleration at nonrelativistic shocks using the fully kinetic approach. To accomplish this, I developed a novel simulation framework that allows the study of shocks propagating in turbulent media. It involves simulating slabs of turbulent plasma separately, which are further continuously inserted into a shock simulation. This demands matching of the plasma slabs at the interface. A new procedure of matching electromagnetic fields and currents prevents numerical transients, and the plasma evolves self-consistently. The versatility of this framework has the potential to render simulations more consistent with turbulent systems in various astrophysical environments. In this Thesis, I present the results of 2D3V PIC simulations of high-Mach-number nonrelativistic shocks with preexisting compressive turbulence in an electron-ion plasma. The chosen amplitudes of the density fluctuations ($\lesssim15\%$) concord with \textit{in situ} measurements in the heliosphere and the local interstellar medium. I explored how these fluctuations impact the dynamics of upstream electrons, the driving of the plasma instabilities, electron heating and acceleration. My results indicate that while the presence of the turbulence enhances variations in the upstream magnetic field, their levels remain too low to influence the behavior of electrons at perpendicular shocks significantly. However, the situation is different at oblique shocks. The external magnetic field inclined at an angle between $50^\circ \lesssim \theta_\text{Bn} \lesssim 75^\circ$ relative to the shock normal allows the escape of fast electrons toward the upstream region. An extended electron foreshock region is formed, where these particles drive various instabilities. Results of an oblique shock with $\theta_\text{Bn}=60^\circ$ propagating in preexisting compressive turbulence show that the foreshock becomes significantly shorter, and the shock-reflected electrons have higher temperatures. Furthermore, the energy spectrum of downstream electrons shows a well-pronounced nonthermal tail that follows a power law with an index up to -2.3. The methods and results presented in this Thesis could serve as a starting point for more realistic modeling of interactions between shocks and turbulence in plasmas from first principles. N2 - Astrophysikalische Schocks, die durch explosive Ereignisse wie Supernovae ausgelöst werden, beschleunigen geladene Teilchen effizient auf relativistische Energien. Die meisten dieser Schocks treten in kollisionsfreien Plasmen auf, in denen die Energieübertragung durch Teilchen-Wellen-Wechselwirkungen dominiert wird. Starke nichtrelativistische Schocks, die in Supernovaüberresten gefunden werden, sind plausible Orte der galaktischen kosmischen Strahlungsproduktion, und die beobachtete Emission deutet auf das Vorhandensein von nichtthermischen Elektronen hin. Um am primären Mechanismus der Energiegewinnung - der diffusiven Schockbeschleunigung - teilzunehmen, müssen die Elektronen eine hochgradig suprathermische Energie haben, was eine sehr effiziente Vorbeschleunigung voraussetzt. Dieser schlecht verstandene Aspekt der Stoßbeschleunigungstheorie ist als Elektroneninjektionsproblem bekannt. Die Untersuchung von Phänomenen auf der Elektronenskala erfordert den Einsatz von vollständig kinetischen Partikel-in-Zellen-Simulationen (PIC), die ein kollisionsfreies Plasma nach ersten Prinzipien beschreiben. Die meisten veröffentlichten Studien gehen von einem homogenen stromaufwärts gelegenen Medium aus, aber Turbulenzen sind in astrophysikalischen Umgebungen allgegenwärtig und werden typischerweise auf magnetohydrodynamischen Skalen angetrieben und kaskadieren hinunter zu kinetischen Skalen. Zum ersten Mal untersuche ich, wie sich eine bereits vorhandene Turbulenz auf die Elektronenbeschleunigung an nichtrelativistischen Schocks auswirkt, indem ich einen vollständig kinetischen Ansatz verwende. Zu diesem Zweck habe ich einen neuartigen Simulationsrahmen entwickelt, der die Untersuchung von Schocks ermöglicht, die sich in turbulenten Medien ausbreiten. Dabei werden die Platten des turbulenten Plasmas separat simuliert, die dann kontinuierlich in eine Schocksimulation eingefügt werden. Dies erfordert eine Anpassung der Plasmaplatten an der Grenzfläche. Ein neues Verfahren zur Anpassung elektromagnetischer Felder und Ströme verhindert numerische Transienten, und das Plasma entwickelt sich selbstkonsistent. Die Vielseitigkeit dieses Rahmens hat das Potenzial, Simulationen mit turbulenten Systemen in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen konsistenter zu machen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Ergebnisse von 2D3V PIC-Simulationen von nichtrelativistischen Schocks mit hoher Mach-Zahl und bereits vorhandener kompressiver Turbulenz in einem Elektron-Ionen-Plasma. Die gewählten Amplituden der Dichtefluktuationen ($\lesssim15\%$) stimmen mit \textit{in situ} Messungen in der Heliosphäre und dem lokalen interstellaren Medium überein. Ich habe untersucht, wie sich diese Fluktuationen auf die Dynamik der stromaufwärts befindlichen Elektronen, den Antrieb der Plasmainstabilitäten, die Elektronenheizung und -beschleunigung auswirken. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vorhandensein von Turbulenzen zwar die Schwankungen des stromaufwärts gelegenen Magnetfelds verstärkt, dass aber die Schwankungen zu gering sind, um das Verhalten der Elektronen an senkrechten Schocks wesentlich zu beeinflussen. Bei schrägen Stößen ist die Situation jedoch anders. Das äußere Magnetfeld, das in einem Winkel zwischen $50^\circ \lesssim \theta_\text{Bn} \lesssim 75^\circ$ relativ zur Schocknormalen ermöglicht das Entweichen schneller Elektronen in Richtung der stromaufwärts gelegenen Region. Es bildet sich eine ausgedehnte Elektronenvorstoßregion, in der diese Teilchen verschiedene Instabilitäten auslösen. Die Ergebnisse eines schrägen Schocks mit $\theta_\text{Bn}=60^\circ$, der sich in einer vorher existierenden kompressiven Turbulenz ausbreitet, zeigen, dass der Vorschock deutlich kürzer wird und die vom Schock reflektierten Elektronen höhere Temperaturen aufweisen. Darüber hinaus zeigt das Energiespektrum der stromabwärts gerichteten Elektronen einen ausgeprägten nichtthermischen Schweif, der einem Potenzgesetz mit einem Index von bis zu -2,3 folgt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse könnten als Ausgangspunkt für eine realistischere Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Schocks und Turbulenz in Plasmen nach ersten Prinzipien dienen. T2 - Elektronenbeschleunigung bei quasi senkrechten Schocks in Supernovaüberresten KW - astrophysical shocks KW - plasma physics KW - particle acceleration KW - astrophysikalische Schocks KW - Plasmaphysik KW - Teilchenbeschleunigung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-651365 ER - TY - THES A1 - Pauli, Daniel T1 - Unraveling massive star and binary physics in the nearby low-metallicity galaxy, the Small Magellanic Cloud, as a proxy for high-redshift galaxies N2 - Massive stars (Mini > 8 Msol) are the key feedback agents within galaxies, as they shape their surroundings via their powerful winds, ionizing radiation, and explosive supernovae. Most massive stars are born in binary systems, where interactions with their companions significantly alter their evolution and the feedback they deposit in their host galaxy. Understanding binary evolution, particularly in the low-metallicity environments as proxies for the Early Universe, is crucial for interpreting the rest-frame ultraviolet spectra observed in high-redshift galaxies by telescopes like Hubble and James Webb. This thesis aims to tackle this challenge by investigating in detail massive binaries within the low-metallicity environment of the Small Magellanic Cloud galaxy. From ultraviolet and multi-epoch optical spectroscopic data, we uncovered post-interaction binaries. To comprehensively characterize these binary systems, their stellar winds, and orbital parameters, we use a multifaceted approach. The Potsdam Wolf-Rayet stellar atmosphere code is employed to obtain the stellar and wind parameters of the stars. Additionally, we perform consistent light and radial velocity fitting with the Physics of Eclipsing Binaries software, allowing for the independent determination of orbital parameters and component masses. Finally, we utilize these results to challenge the standard picture of stellar evolution and improve our understanding of low-metallicity stellar populations by calculating our binary evolution models with the Modules for Experiments in Stellar Astrophysics code. We discovered the first four O-type post-interaction binaries in the SMC (Chapters 2, 5, and 6). Their primary stars have temperatures similar to other OB stars and reside far from the helium zero-age main sequence, challenging the traditional view of binary evolution. Our stellar evolution models suggest this may be due to enhanced mixing after core-hydrogen burning. Furthermore, we discovered the so-far most massive binary system undergoing mass transfer (Chapter 3), offering a unique opportunity to test mass-transfer efficiency in extreme conditions. Our binary evolution calculations revealed unexpected evolutionary pathways for accreting stars in binaries, potentially providing the missing link to understanding the observed Wolf-Rayet population within the SMC (Chapter 4). The results presented in this thesis unveiled the properties of massive binaries at low-metallicity which challenge the way the spectra of high-redshift galaxies are currently being analyzed as well as our understanding of massive-star feedback within galaxies. N2 - Massereiche Sterne (Mini > 8 Msonne ) beeinflussen ihre Umgebung durch ihre starke Winde, ionisierende Strahlung und wenn sie als Supernova explodieren. Sie sind daher die Schlüsselfaktoren für die Rückkopplungsprozesse innerhalb von Galaxien. Die meisten massereichen Sterne entstehen in Doppelsternsystemen, in welchen sie mit ihren Begleitern interagieren können, was weitreichende Konsequenzen für ihre weitere Entwicklung und die Rückkopplung auf ihre Galaxie beeinflusst. Ein tiefgreifendes Verständnis der Entwicklung von Doppelsternen, insbesondere in metallarmen Umgebungen als Näherung für Sterne im frühe Universum, ist entscheidend für die richtige Interpretation der Spektren von Galaxies bei hohen Rotverschiebungen die von Weltraumteleskopen wie Hubble und James Webb beobachtet werden. Diese Dissertation widmet sich der Herausforderung für ein besseres Verständnis von Doppelsternsystemen, indem sie massereiche Doppelsterne in der metallarmen Umgebung der Galaxie „Kleinen Magellanischen Wolke“ detailliert untersucht. Anhand von zahlreichen ultravioletten und optischen Spektroskopiedaten konnten Doppelsterne, die schon miteinander interagiert haben, entdeckt werden. Um diese Doppelsternsysteme, die Parameter der einzelnen Sterne und ihrer Sternwinde sowie die Bahnparameter zu erhalten und zu charakterisieren, verwenden wir einen mehrteiligen Ansatz. Als erstes, um die Parameter der Sterne und ihrer Winde zu gewinnen, wird der Potsdamer Wolf-Rayet-Sternatmosphärencode eingesetzt. Darüber hinaus führen wir mit der Software „Physics of Eclipsing Binaries“ eine konsistente Licht- und Radialgeschwindigkeitsanpassung durch, die eine unabhängige Bestimmung der Bahnparameter und Komponentenmassen ermöglicht. Abschließend werden diese Ergebnisse verwendet, um die traditionelle Sichtweise der Doppelstern-Entwicklung in Frage zu stellen und unser Verständnis von Sternpopulationen mit geringer Metallizität zu verbessern, indem wir Evolutionsmodelle von Doppelsternen mithilfe des Codes „Modules for Experiments in Stellar Astrophysics“ berechnen. In dieser Arbeit konnten erstmalig vier massereiche O-Typ-Doppelsterne nach einer Wechselwirkung innerhalb der Kleinen Magellanischen Wolke entdeckt werden (Kapitel 2, 5 und 6). Überraschenderweise sind die Temperaturen der Massegeber vergleichbar mit denen anderer OB-Sterne und daher kühler als zuvor erwartet. Dies stellt die traditionelle Sichtweise der Doppelstern-Entwicklung in Frage. Unsere Sternenentwicklungsmodelle deuten darauf hin, dass die beobachtete Diskrepanz gelöst werden kann wenn man eine stärkere Durchmischung nach dem Wasserstoffbrennen im Kern annimmt. Darüber hinaus haben wir das bisher massereichste Doppelsternsystem entdeckt, welches sich gerade in einem Massenaustausch befindet (Kapitel 3). Dieses System bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Effizienz des Massentransfers unter extremen Bedingungen zu testen. Des Weiteren haben unsere Berechnungen zur Doppelsternentwicklung unerwartete Entwicklungspfade für akkretierende Sterne in Doppelsternsystemen enthüllten, die möglicherweise das fehlende Bindeglied zum Verständnis der beobachteten Wolf-Rayet-Population in der Kleinen Magellanschen Wolke darstellen (Kapitel 4). Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse enthüllen die einzigartigen Eigenschaften von massereichen Doppelsternen in metallarmen Umgebungen, die sowohl die aktuelle Analyse der Spektren von Galaxien mit hoher Rotverschiebung als auch unser Verständnis der Rückkopplungsprozesse von massereichen Sternen in Galaxien in Frage stellen. T2 - Entschlüsselung der Physik massereicher Sterne und Doppelsternsysteme in der nahegelegenen, metallarmen Galaxie, der Kleinen Magellanschen Wolke, als Vertreter für Galaxien mit hoher Rotverschiebung KW - Massereiche Sterne KW - massive stars KW - Sternwind KW - stellar winds KW - Doppelstern KW - binary stars KW - Spektralanalyse KW - spectral analysis KW - Orbitalanalyse KW - orbital analysis KW - Sternenentwicklung KW - stellar evolution KW - OB-Sterne KW - OB-type stars KW - Wolf-Rayet Sterne KW - Wolf-Rayet stars KW - Kleine Magellansche Wolke KW - Small Magellanic Cloud Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-653184 ER - TY - THES A1 - Schemenz, Victoria T1 - Correlations between osteocyte lacuno-canalicular network and material characteristics in bone adaptation and regeneration T1 - Korrelationen zwischen dem lakuno-kanalikulären Netzwerk der Osteozyten und Materialeigenschaften bei der Knochenanpassung und -regeneration N2 - The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue. The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles. First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions. In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone. Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir. For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing. A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles. In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment. N2 - Knochen haben eine komplexe hierarchische Struktur, die einen lebenslangen Umbauprozess durchläuft, bei dem der Knochen sich seinen mechanischen Anforderungen anpasst. Um ein gesundes und stabiles Organ zu erhalten müssen Knochenresorption (durch Osteoklasten) und Knochenbildung (durch Osteoblasten) ausgewogen sein. Osteozyten lenken dieses Wechselspiel, indem sie mechanische Belastungen wahrnehmen und sie in biochemische Signale übersetzen. Die Osteozyten sitzen in Lakunen und sind durch Kanälchen untereinander und mit anderen Knochenzellen über ein Netzwerk (LCN) verbunden, das in der Lage ist, Ionen zu transportieren und eine Kommunikation von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Außerdem vermutet man, dass Osteozyten auch durch direkte Wechselwirkungen mit der umgebenden Matrix zur Mineralhomöostase beitragen könnten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage, ob Osteozyten ihre materielle Umgebung aktiv verändern können. Um Spuren dieser Wechselwirkung zwischen Osteozyten und der extrazellulären Matrix nachzuweisen, werden materialwissenschaftliche Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zunächst wurden gesunde Mäuseknochen charakterisiert. Die erworbenen Ergebnisse wurden dann mit drei murinen Modellsystemen verglichen: 1) einem Belastungsmodell; 2) ein Heilungsmodell und 3) ein Krankheitsmodell, bei dem das Fbn1-Gen dysfunktional ist und Defekte in der Bildung des extrazellulären Gewebes verursacht werden. Die Messstrategie umfasste Routinen, die es ermöglichen, die Organisation des LCN und der Materialkomponenten (d.h. die organische Kollagenmatrix und die mineralischen Partikel) in denselben Knochenvolumina zu analysieren und die räumliche Verteilung der verschiedenen Datensätze zu vergleichen. Die dreidimensionale Netzwerkarchitektur des LCN wird durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie nach Rhodamin-Färbung gemessen und anschließend quantifiziert. Der Kalziumgehalt wird mittels quantitativer Rückstreuelektronenbildgebung bestimmt, während Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung verwendet werden, um die Dicke und Länge der Mineralpartikel zu bestimmen. Zunächst wurden Querschnitte der Unterschenkel von gesunden Mäusen charakterisiert, um zu untersuchen, ob Veränderungen in der LCN-Architektur auf Wechselwirkungen von Osteozyten mit der umgebenden Knochenmatrix zurückgeführt werden können. Die Kortizes zeigten zwei Hauptregionen, ein Band mit ungeordneter LCN-Architektur, umgeben von einer Region mit geordneter LCN. Die ungeordnete Region ist ein Überbleibsel der frühen Knochenbildung und wies kurze und dünne Mineralpartikel auf. Der umgebende, stärker ausgerichtete Knochen zeigte ein geordnetes und dichtes LCN, sowie dickere und längere Mineralpartikel. Der Kalziumgehalt blieb bei beiden Regionen unverändert. Im Mausbelastungsmodell wurde das linke Schienbein zwei Wochen lang mechanisch stimuliert, was zu einer erhöhten Knochenbildung führt. Hier sollte die Forschungsfrage beantwortet werden, wie sich Knochenmaterialeigenschaften an (Re-)Modellierungsstellen aufgrund von Belastung ändern. Der, als Reaktion auf die mechanische Stimulation, gebildete neue Knochen zeigte ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Mineralpartikel, wie die geordnete Kortexregion. Es gab eine klar erkennbare Grenze zwischen reifem und neu gebildetem Knochen. Trotzdem gingen einige Kanälchen durch diese Grenze, die die LCN aus reifem und neu gebildetem Knochen verband. Für das Heilungsmodell wurden die Oberschenkel von Mäusen einer Osteotomie unterzogen (einer Operation, bei der durch einen Schnitt in der Diaphyse ein Bruch erzeugt wird). Danach konnte die Fraktur 21 Tage heilen. Dadurch konnten in diesem Modell gleichzeitig verkalkter Knorpel, knöcherner Kallus und Kortex untersucht werden. Dafür wurde die räumliche Verteilung der LCN-Topologie sowie die Mineraleigenschaften der verschiedenen Gewebetypen und ihrer Grenzflächen visualisiert und verglichen. Alle Gewebetypen zeigten strukturelle Unterschiede über mehrere Längenskalen hinweg. Der Kalziumgehalt nahm von kalzifiziertem Knorpel zu knöchernem Kallus zu lamellarem kortikalem Knochen zu und wurde homogener. Der Grad der LCN-Organisation nahm ebenfalls zu, während die Lakunen vom Kallus zum Kortexgewebe kleiner wurden, ebenso wie die Lakunendichte. Im verkalkten Knorpel waren die Mineralpartikel kurz und dünn. Der größte Teil des Kallus wies eine Geflechtsknochenstruktur auf und diente als Gerüst für lamellares Gewebe, das dünnere Mineralpartikel, aber einen höheren Grad an Ausrichtung sowohl in den Mineralpartikeln als auch im LCN aufwies. Der Kortex zeigte die höchsten Werte für Minerallänge, Dicke und Orientierungsgrad. Obwohl nur wenige Kanälchen den Kallus und kortikale Regionen verbinden, weist dies darauf hin, dass eine Kommunikation zwischen Osteozyten beider Gewebe möglich sein sollte. Es wurde auch ein Mausmodell für das Marfan-Syndrom untersucht, das einen Gendefekt im Fibrillin-1-Gen beinhaltet. Beim Menschen ist das Marfan-Syndrom durch eine Reihe klinischer Symptome gekennzeichnet, wie z. B. übermäßiges Wachstum der Gliedmaßen, überstreckbare Gelenke, verringerte Knochenmineraldichte, beeinträchtigte Knochenmikroarchitektur und erhöhte Frakturraten. Somit scheint Fibrillin-1 eine Rolle in der Skeletthomöostase zu spielen. Deswegen untersuchte die vorliegende Arbeit, ob und wie das Marfan-Syndrom die LCN-Architektur und die umgebende Knochenmatrix verändert. Die Mäuse mit Marfan-Syndrom zeigten bereits ab einem Alter von sieben Wochen längere Schienbeine als ihre gesunden Wurfgeschwister. Im Gegensatz dazu erschien die kortikale Entwicklung verzögert, was über alle gemessenen Merkmale hinweg beobachtet wurde, d.h. niedrigere endokortikale Knochenbildung, lockereres und weniger organisiertes LCN, geringerer Grad an Kollagenorientierung sowie ein Trend zu dünneren und kürzeren Mineralpartikel. In jedem der drei Modellsysteme fand diese Studie, dass Änderungen in der LCN-Architektur räumlich mit Parametern des Knochenmatrixmaterials korrelierten. Obwohl der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, dass Osteozyten ein Mineralreservoir aktiv manipulieren können. Dieses Reservoir befindet sich um die Kanälchen herum und dieser Prozess würde es ermöglichen, einen schnell zugänglichen Beitrag zur Mineralhomöostase zu leisten. Diese Interaktion ist jedoch höchstwahrscheinlich nicht einseitig, sondern könnte als Wechselspiel zwischen Osteozyten und extrazellulärer Matrix verstanden werden, da die Knochenmatrix biochemische Signalmoleküle enthält, die das Verhalten von Osteozyten verändern können. Knochen(re)modellierung kann daher nicht nur als Methode zur Defektbeseitigung oder Anpassung an äußere mechanische Reize verstanden werden, sondern auch zur Effizienzsteigerung möglicher Osteozyten-Mineral-Interaktionen während der Knochenhomöostase. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es sinnvoll, Osteozyten als Ziel für die Arzneimittelentwicklung im Zusammenhang mit Knochenerkrankungen in Betracht zu ziehen, die Veränderungen der Knochenzusammensetzung und deren mechanischen Eigenschaften verursachen. KW - bone KW - lacunae KW - mineralization KW - SAXS KW - lacuno-canalicular network KW - µCT KW - CLSM KW - konfokales Laser-Scanning-Mikroskop KW - Kleinwinkelröntgenstreuung KW - Knochen KW - Lakunen KW - lakuno-kanaliculäres Netzwerk KW - Mineralisierung KW - µCT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559593 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER -