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With the recent growth of sensors, cloud computing handles the data processing of many applications. Processing some of this data on the cloud raises, however, many concerns regarding, e.g., privacy, latency, or single points of failure. Alternatively, thanks to the development of embedded systems, smart wireless devices can share their computation capacity, creating a local wireless cloud for in-network processing. In this context, the processing of an application is divided into smaller jobs so that a device can run one or more jobs.
The contribution of this thesis to this scenario is divided into three parts. In part one, I focus on wireless aspects, such as power control and interference management, for deciding which jobs to run on which node and how to route data between nodes. Hence, I formulate optimization problems and develop heuristic and meta-heuristic algorithms to allocate wireless and computation resources. Additionally, to deal with multiple applications competing for these resources, I develop a reinforcement learning (RL) admission controller to decide which application should be admitted. Next, I look into acoustic applications to improve wireless throughput by using microphone clock synchronization to synchronize wireless transmissions.
In the second part, I jointly work with colleagues from the acoustic processing field to optimize both network and application (i.e., acoustic) qualities. My contribution focuses on the network part, where I study the relation between acoustic and network qualities when selecting a subset of microphones for collecting audio data or selecting a subset of optional jobs for processing these data; too many microphones or too many jobs can lessen quality by unnecessary delays. Hence, I develop RL solutions to select the subset of microphones under network constraints when the speaker is moving while still providing good acoustic quality. Furthermore, I show that autonomous vehicles carrying microphones improve the acoustic qualities of different applications. Accordingly, I develop RL solutions (single and multi-agent ones) for controlling these vehicles.
In the third part, I close the gap between theory and practice. I describe the features of my open-source framework used as a proof of concept for wireless in-network processing. Next, I demonstrate how to run some algorithms developed by colleagues from acoustic processing using my framework. I also use the framework for studying in-network delays (wireless and processing) using different distributions of jobs and network topologies.
Among the multitude of geomorphological processes, aeolian shaping processes are of special character, Pedogenic dust is one of the most important sources of atmospheric aerosols and therefore regarded as a key player for atmospheric processes. Soil dust emissions, being complex in composition and properties, influence atmospheric processes and air quality and has impacts on other ecosystems. In this because even though their immediate impact can be considered low (exceptions exist), their constant and large-scale force makes them a powerful player in the earth system. dissertation, we unravel a novel scientific understanding of this complex system based on a holistic dataset acquired during a series of field experiments on arable land in La Pampa, Argentina. The field experiments as well as the generated data provide information about topography, various soil parameters, the atmospheric dynamics in the very lower atmosphere (4m height) as well as measurements regarding aeolian particle movement across a wide range of particle size classes between 0.2μm up to the coarse sand.
The investigations focus on three topics: (a) the effects of low-scale landscape structures on aeolian transport processes of the coarse particle fraction, (b) the horizontal and vertical fluxes of the very fine particles and (c) the impact of wind gusts on particle emissions.
Among other considerations presented in this thesis, it could in particular be shown, that even though the small-scale topology does have a clear impact on erosion and deposition patterns, also physical soil parameters need to be taken into account for a robust statistical modelling of the latter. Furthermore, specifically the vertical fluxes of particulate matter have different characteristics for the particle size classes. Finally, a novel statistical measure was introduced to quantify the impact of wind gusts on the particle uptake and its application on the provided data set. The aforementioned measure shows significantly increased particle concentrations during points in time defined as gust event.
With its holistic approach, this thesis further contributes to the fundamental understanding of how atmosphere and pedosphere are intertwined and affect each other.
Die Mehrzahl der Schlaganfallpatienten leidet unter Störungen der Gehfähigkeit. Die Behandlung der Folgen des Schlaganfalls stellt eine der häufigsten Indikationen für die neurologische Rehabilitation dar. Dabei steht die Wiederherstellung von sensomotorischen Funktionen, insbesondere der Gehfähigkeit, und der gesellschaftlichen Teilhabe im Vordergrund.
In Deutschland wird in der Gangrehabilitation nach Schlaganfall oft das Neurophysiologische Gangtraining nach Bobath (NGB) angewandt, das jedoch in seiner Effektivität kritisch gesehen wird. In Behandlungsleitlinien wird zuerst das Laufbandtraining (LT) empfohlen. Für diese Therapie liegen Wirknachweise für Verbesserungen in Gehgeschwindigkeit und Gehausdauer vor. Auch für die Rhythmisch-auditive Stimulation (RAS), dem ebenerdigen Gangtraining mit akustischer Stimulation liegt vergleichbare Evidenz für Schlaganfallpatienten vor.
Ziel der durchgeführten Studie war es, zu klären ob der Einsatz von RAS die Effektivität von LT verbessert. Es wurden die Auswirkungen eines 4-wöchigen musikgestützten Laufbandtrainings auf die Gangrehabilitation von Schlaganfallpatienten untersucht.
Für die Kombinationstherapie RAS mit Laufbandtraining (RAS-LT) wurde spezielle Trainingsmusik entwickelt. Diese wurde an die individuelle Laufbandkadenz des Patienten angepasst und in Abstimmung mit der Bandgeschwindigkeit systematisch gesteigert. Untersucht wurde, ob RAS-LT zu stärkeren Verbesserungen der Gehfähigkeit bei Schlaganfallpatienten führt als die Standardtherapien NGB und LT. Dazu wurde eine klinische Evaluation im prospektiven randomisierten und kontrollierten Parallelgruppendesign mit 45 Patienten nach Schlaganfall durchgeführt. 45 Patienten mit Hemiparese der unteren Extremität oder unsicherem und asymmetrischem Gangbild wurden in der Akutphase nach Schlaganfall eingeschlossen. Bei 10 Patienten wurde die Studie während der Interventionsphase abgebrochen, davon 1 Patient mit unerwünschter Nebenwirkung in Folge des LT.
Die verwendete Testbatterie umfasste neben Verfahren zur Bestimmung der Gehfunktion wie Fast Gait Speed Test, 3-min-Walking-Time-Test und der apparativen Ganganalyse mit dem Lokometer nach Bessou eine statische Posturographie und eine kinematische 2D-Ganganalyse auf dem Laufband. Diese Methode wurde in Erweiterung der bisherigen Studienlage in dieser Form erstmals für diese Fragestellung und dieses Patientenkollektiv konzipiert und eingesetzt. Sie ermöglichte eine differenzierte und seitenbezogene Beurteilung der Bewegungsqualität.
Die primären Endpunkte der Studie waren die longitudinalen Gangparameter Kadenz, Gehgeschwindigkeit und Schrittlänge. Als sekundäre Endpunkte dienten die Schrittsymmetrie, die Gehausdauer, das statische Gleichgewicht und die Bewegungsqualität des Gehens.
Prä-Post-Effekte wurden für die gesamte Stichprobe und für jede Gruppe durch T-Tests und wenn Normalverteilung nicht gegeben war mit dem Wilcoxon-Vorzeichen-Rangtest errechnet. Für die Ermittlung der Wirkungsunterschiede der 3 Interventionen wurde eine Kovarianzanalyse mit zwei Kovariaten durchgeführt: (1) der jeweilige Prä-Interventionsparameter und (2) die Zeit zwischen Akutereignis und Studienbeginn. Für einzelne Messparameter waren die Vorbedingungen der Kovarianzanalyse nicht erfüllt, sodass stattdessen ein Kruskal-Wallis H Test durchgeführt wurde. Das Signifikanzniveau wurde auf p < 0,05 und für gruppenspezifische Prä-Post-Effekte auf p > 0,016 gesetzt. Effektstärken wurden mit Cohens d berechnet.
Es wurden die Datensätze von 35 Patienten (RAS-LT: N = 11, LT: N = 13, NGB: N = 11) mit einem Alter von 63.6 ±8.6 Jahren, und mit einer Zeit zwischen Akutereignis und Beginn der Studie von 42.1 ±23.7 Tagen ausgewertet. In der statistischen Auswertung zeigten sich in der Nachuntersuchung stärkere Verbesserungen durch RAS-LT in der Kadenz (F(2,34) = 7.656, p = 0.002; partielles η2 = 0.338), wobei auch die Gruppenkontraste signifikante Unterschiede zugunsten von RAS-LT aufwiesen und eine Tendenz zu stärkerer Verbesserung in der Gehgeschwindigkeit (F(2,34) = 3.864, p = 0.032; partielles η2 = 0.205). Auch die Ergebnisse zur Schrittsymmetrie und zur Bewegungsqualität deuteten auf eine Überlegenheit des neuen Therapieansatzes RAS-LT hin, obgleich dort keine statistischen Signifikanzen im Gruppenvergleich erreicht wurden. Die Parameter Schrittlänge, Gehausdauer und die Werte zum statischen Gleichgewicht zeigten keine spezifischen Effekte von RAS-LT.
Die Studie liefert erstmals Anhaltspunkte für eine klinische Überlegenheit von RAS-LT gegenüber den Standardtherapien. Die weitere Entwicklung und Beforschung dieses innovativen Therapieansatzes können in Zukunft zu einer verbesserten Gangrehabilitation von Patienten nach Schlaganfall beitragen.
Folgt tatsächlich aus einem liberalen Wertekanon eine generative Selbstbestimmung, eine weitgehende elterliche Handlungsfreiheit bei eugenischen Maßnahmen, wie es Vertreter einer „liberalen Eugenik“ versichern? Diese Arbeit diskutiert die Rolle Staates und die Handlungsspielräume der Eltern bei der genetischen Gestaltung von Nachkommen im Rahmen eines liberalen Wertverständnisses.
Den Schwerpunkt/Fokus der Betrachtungen liegt hier Maßnahmen des genetic enhancement.
Darüber hinaus wird auch das Verhältnis der „liberalen Eugenik“ zur „autoritären Eugenik“ neu beleuchtet.
Die Untersuchung beginnt bei der Analyse zentraler liberaler Werte und Normen, wie Freiheit, Autonomie und Gerechtigkeit und deren Funktionen in der „liberalen Eugenik“. Wobei nur sehr eingeschränkt von der „liberalen Eugenik“ gesprochen werden kann, sondern viel mehr von Varianten einer „liberalen Eugenik“.
Darüber hinaus wird in dieser Arbeit die historische Entwicklung der „liberalen“ und der „autoritären Eugenik“, speziell des Sozialdarwinismus, untersucht und verglichen, insbesondere im Hinblick auf liberale Werte und Normen und der generativen Selbstbestimmung.
Den Kern der Arbeit bildet der Vergleich der „liberalen Eugenik“ mit der „liberalen Erziehung“. Da hier die grundlegenden Aufgaben der Eltern, aber auch des Staates, analysiert und deren Verhältnis diskutiert wird.
Es zeigt sich, dass sich aus einem liberalen Wertverständnisses heraus keine umfangreiche generative Selbstbestimmung ableiten lässt, sondern sich viel mehr staatlich kontrollierte enge Grenzen bei eugenischen Maßnahmen zum Wohle der zukünftigen Person, begründen.
Zudem wurde der Weg zur autoritären Eugenik nicht durch die Abkehr von der generativen Selbstbestimmung geebnet, sondern viel mehr durch die Übertragung des Fortschrittsgedankens auf den Menschen selbst. Damit verliert die generative Selbstbestimmung auch ihre Funktion als Brandmauer gegen eine autoritäre Eugenik. Nicht der Verlust der generativen Selbstbestimmung, sondern viel mehr die Idee der Perfektionierung des Menschen muss kritisch betrachtet und letztlich abgelehnt werden.
Ohne generative Selbstbestimmung und einer Perfektionierung des Menschen, bleibt nur eine Basis-Eugenik, bei der die Entwicklungsfähigkeit des Menschen sichergestellt wird, nicht jedoch seine Verbesserung.
Darüber hinaus muss auch über eine Entwicklungsmöglichkeit des zukünftigen Menschen gesprochen werden, d. h. ein minimales Potential zu gesellschaftlicher Integration muss gegeben sein. Nur wenn tatsächlich keine Möglichkeiten seitens der Gesellschaft bestehen eine Person zu integrieren und dieser eine Entwicklungsmöglichkeit zu bieten, wären eugenische Maßnahmen als letztes Mittel akzeptabel.
Wie interpretieren Kinder nur? : Experimentelle Untersuchungen zum Erwerb von Informationsstruktur
(2010)
Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, wie sechsjährige monolingual deutsche Kinder Sätze mit der Fokuspartikel nur interpretieren. In 5 Experimenten wurde untersucht, welchen Einfluss die Oberflächenposition der Fokuspartikel auf das Satzverständnis hat und ob die kontextuelle Einbettung der nur-Sätze zu einer zielsprachlichen Interpretation führt. Im Gegensatz zu den Ergebnissen bisheriger Studien (u.a. Crain, et al. 1994; Paterson et al. 2003) zeigen die Daten der Arbeit, dass die getesteten Kinder die präsentierten nur-Sätze zielsprachlich interpretierten, wenn diese in einen adäquaten Kontext eingebettet waren. Es zeigte sich weiterhin, dass die Kinder mehr Fehler bei der Interpretation von Sätzen mit nur vor dem Subjekt (Nur die Maus hat einen Ball.) als mit nur vor dem Objekt (Die Maus hat nur einen Ball.) machten. Entgegen dem syntaktisch basierten Ansatz von Crain et al. (1994) und dem semantisch-pragmatisch basierten Ansatz von Paterson et al. (2003) werden in der Arbeit informationsstrukturelle Eigenschaften bzw. Unterschiede der nur-Sätze für die beobachteten Leistungen verantwortlich gemacht. Der in der Arbeit postulierte Topik-Default Ansatz nimmt an, dass die Kinder das Subjekt eines Satzes immer als Topik analysieren. Dies führt im Fall der Sätze mit nur vor dem Subjekt zu einer falschen informationsstrukturellen Repräsentation des Satzes. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit und dem postulierten Topik-Default Ansatz wird in der Arbeit abschließend ein Erwerbsmodell für das Verstehen von Sätzen mit der Fokuspartikel nur entworfen und diskutiert.
Im kognitiven Vulnerabilitäts-Stress-Modell der Depression von A.T. Beck (1967, 1976) spielen dysfunktionale Einstellungen bei der Entstehung von Depression in Folge von erlebtem Stress eine zentrale Rolle. Diese Theorie prägt seit Jahrzehnten die ätiologische Erforschung der Depression, jedoch ist die Bedeutung dysfunktionaler Einstellungen im Prozess der Entstehung einer Depression insbesondere im Kindes- und Jugendalter nach wie vor unklar. Die vorliegende Arbeit widmet sich einigen in der bisherigen Forschung wenig behandelten Fragen. Diese betreffen u. a. die Möglichkeit nichtlinearer Effekte dysfunktionaler Einstellungen, Auswirkungen einer Stichprobenselektion, Entwicklungseffekte sowie die Spezifität etwaiger Zusammenhänge für eine depressive Symptomatik.
Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Daten von zwei Messzeitpunkten der PIER-Studie, eines großangelegten Längsschnittprojekts über Entwicklungsrisiken im Kindes- und Jugendalter, genutzt. Kinder und Jugendliche im Alter von 9 bis 18 Jahren berichteten zweimal im Abstand von ca. 20 Monaten im Selbstberichtsverfahren über ihre dysfunktionalen Einstellungen, Symptome aus verschiedenen Störungsbereichen sowie über eingetretene Lebensereignisse.
Die Ergebnisse liefern Evidenz für ein Schwellenmodell, in dem dysfunktionale Einstellungen unabhängig von Alter und Geschlecht nur im höheren Ausprägungsbereich eine Wirkung als Vulnerabilitätsfaktor zeigen, während im niedrigen Ausprägungsbereich keine Zusammenhänge zur späteren Depressivität bestehen. Eine Wirkung als Vulnerabilitätsfaktor war zudem nur in der Subgruppe der anfänglich weitgehend symptomfreien Kinder und Jugendlichen zu beobachten. Das Schwellenmodell erwies sich als spezifisch für eine depressive Symptomatik, es zeigten sich jedoch auch (teilweise ebenfalls nichtlineare) Effekte dysfunktionaler Einstellungen auf die Entwicklung von Essstörungssymptomen und aggressivem Verhalten. Bei 9- bis 13-jährigen Jungen standen dysfunktionale Einstellungen zudem in Zusammenhang mit einer Tendenz, Stress in Leistungskontexten herbeizuführen.
Zusammen mit den von Sahyazici-Knaak (2015) berichteten Ergebnissen aus der PIER-Studie weisen die Befunde darauf hin, dass dysfunktionale Einstellungen im Kindes- und Jugendalter – je nach betrachteter Subgruppe – Ursache, Symptom und Konsequenz der Depression darstellen können. Die in der vorliegenden Arbeit gezeigten nichtlinearen Effekte dysfunktionaler Einstellungen und die Effekte der Stichprobenselektion bieten eine zumindest teilweise Erklärung für die Heterogenität früherer Forschungsergebnisse. Insgesamt lassen sie auf komplexe – und nicht ausschließlich negative – Auswirkungen dysfunktionaler Einstellungen schließen. Für eine adäquate Beurteilung der „Dysfunktionalität“ der von A.T. Beck so betitelten Einstellungen erscheint daher eine Berücksichtigung der betrachteten Personengruppe, der absoluten Ausprägungen und der fraglichen Symptomgruppen geboten.
Knowledge-intensive business processes are flexible and data-driven. Therefore, traditional process modeling languages do not meet their requirements: These languages focus on highly structured processes in which data plays a minor role. As a result, process-oriented information systems fail to assist knowledge workers on executing their processes. We propose a novel case management approach that combines flexible activity-centric processes with data models, and we provide a joint semantics using colored Petri nets. The approach is suited to model, verify, and enact knowledge-intensive processes and can aid the development of information systems that support knowledge work.
Knowledge-intensive processes are human-centered, multi-variant, and data-driven. Typical domains include healthcare, insurances, and law. The processes cannot be fully modeled, since the underlying knowledge is too vast and changes too quickly. Thus, models for knowledge-intensive processes are necessarily underspecified. In fact, a case emerges gradually as knowledge workers make informed decisions. Knowledge work imposes special requirements on modeling and managing respective processes. They include flexibility during design and execution, ad-hoc adaption to unforeseen situations, and the integration of behavior and data. However, the predominantly used process modeling languages (e.g., BPMN) are unsuited for this task.
Therefore, novel modeling languages have been proposed. Many of them focus on activities' data requirements and declarative constraints rather than imperative control flow. Fragment-Based Case Management, for example, combines activity-centric imperative process fragments with declarative data requirements. At runtime, fragments can be combined dynamically, and new ones can be added. Yet, no integrated semantics for flexible activity-centric process models and data models exists.
In this thesis, Wickr, a novel case modeling approach extending fragment-based Case Management, is presented. It supports batch processing of data, sharing data among cases, and a full-fledged data model with associations and multiplicity constraints. We develop a translational semantics for Wickr targeting (colored) Petri nets. The semantics assert that a case adheres to the constraints in both the process fragments and the data models. Among other things, multiplicity constraints must not be violated. Furthermore, the semantics are extended to multiple cases that operate on shared data. Wickr shows that the data structure may reflect process behavior and vice versa. Based on its semantics, prototypes for executing and verifying case models showcase the feasibility of Wickr. Its applicability to knowledge-intensive and to data-centric processes is evaluated using well-known requirements from related work.
The dissertation examines the use of performance information by public managers. “Use” is conceptualized as purposeful utilization in order to steer, learn, and improve public services. The main research question is: Why do public managers use performance information? To answer this question, I systematically review the existing literature, identify research gaps and introduce the approach of my dissertation. The first part deals with manager-related variables that might affect performance information use but which have thus far been disregarded. The second part models performance data use by applying a theory from social psychology which is based on the assumption that this management behavior is conscious and reasoned. The third part examines the extent to which explanations of performance information use vary if we include others sources of “unsystematic” feedback in our analysis. The empirical results are based on survey data from 2011. I surveyed middle managers from eight selected divisions of all German cities with county status (n=954). To analyze the data, I used factor analysis, multiple regression analysis, and structural equation modeling. My research resulted in four major findings: 1) The use of performance information can be modeled as a reasoned behavior which is determined by the attitude of the managers and of their immediate peers. 2) Regular users of performance data surprisingly are not generally inclined to analyze abstract data but rather prefer gathering information through personal interaction. 3) Managers who take on ownership of performance information at an early stage in the measurement process are also more likely to use this data when it is reported to them. 4) Performance reports are only one source of information among many. Public managers prefer verbal feedback from insiders and feedback from external stakeholders over systematic performance reports. The dissertation explains these findings using a deductive approach and discusses their implications for theory and practice.
Background: The worldwide prevalence of diabetes has been increasing in recent years, with a projected prevalence of 700 million patients by 2045, leading to economic burdens on societies. Type 2 diabetes mellitus (T2DM), representing more than 95% of all diabetes cases, is a multifactorial metabolic disorder characterized by insulin resistance leading to an imbalance between insulin requirements and supply. Overweight and obesity are the main risk factors for developing type 2 diabetes mellitus. The lifestyle modification of following a healthy diet and physical activity are the primary successful treatment and prevention methods for type 2 diabetes mellitus. Problems may exist with patients not achieving recommended levels of physical activity. Electrical muscle stimulation (EMS) is an increasingly popular training method and has become in the focus of research in recent years. It involves the external application of an electric field to muscles, which can lead to muscle contraction. Positive effects of EMS training have been found in healthy individuals as well as in various patient groups. New EMS devices offer a wide range of mobile applications for whole-body electrical muscle stimulation (WB-EMS) training, e.g., the intensification of dynamic low-intensity endurance exercises through WB-EMS. This dissertation project aims to investigate whether WB-EMS is suitable for intensifying low-intensive dynamic exercises such as walking and Nordic walking.
Methods: Two independent studies were conducted. The first study aimed to investigate the reliability of exercise parameters during the 10-meter Incremental Shuttle Walk Test (10MISWT) using superimposed WB-EMS (research question 1, sub-question a) and the difference in exercise intensity compared to conventional walking (CON-W, research question 1, sub-question b). The second study aimed to compare differences in exercise parameters between superimposed WB-EMS (WB-EMS-W) and conventional walking (CON-W), as well as between superimposed WB-EMS (WB-EMS-NW) and conventional Nordic walking (CON-NW) on a treadmill (research question 2). Both studies took place in participant groups of healthy, moderately active men aged 35-70 years. During all measurements, the Easy Motion Skin® WB-EMS low frequency stimulation device with adjustable intensities for eight muscle groups was used. The current intensity was individually adjusted for each participant at each trial to ensure safety, avoiding pain and muscle cramps. In study 1, thirteen individuals were included for each sub question. A randomized cross-over design with three measurement appointments used was to avoid confounding factors such as delayed onset muscle soreness. The 10MISWT was performed until the participants no longer met the criteria of the test and recording five outcome measures: peak oxygen uptake (VO2peak), relative VO2peak (rel.VO2peak), maximum walk distance (MWD), blood lactate concentration, and the rate of perceived exertion (RPE).
Eleven participants were included in study 2. A randomized cross-over design in a study with four measurement appointments was used to avoid confounding factors. A treadmill test protocol at constant velocity (6.5 m/s) was developed to compare exercise intensities. Oxygen uptake (VO2), relative VO2 (rel.VO2) blood lactate, and the RPE were used as outcome variables. Test-retest reliability between measurements was determined using a compilation of absolute and relative measures of reliability. Outcome measures in study 2 were studied using multifactorial analyses of variances.
Results: Reliability analysis showed good reliability for VO2peak, rel.VO2peak, MWD and RPE with no statistically significant difference for WB-EMS-W during 10WISWT. However, differences compared to conventional walking in outcome variables were not found. The analysis of the treadmill tests showed significant effects for the factors CON/WB-EMS and W/NW for the outcome variables VO2, rel.VO2 and lactate, with both factors leading to higher results. However, the difference in VO2 and relative VO2 is within the range of biological variability of ± 12%. The factor combination EMS∗W/NW is statistically non-significant for all three variables. WB-EMS resulted in the higher RPE values, RPE differences for W/NW and EMS∗W/NW were not significant.
Discussion: The present project found good reliability for measuring VO2peak, rel. VO2peak, MWD and RPE during 10MISWT during WB-EMS-W, confirming prior research of the test. The test appears technically limited rather than physiologically in healthy, moderately active men. However, it is unsuitable for investigating differences in exercise intensities using WB-EMS-W compared to CON-W due to different perceptions of current intensity between exercise and rest. A treadmill test with constant walking speed was conducted to adjust individual maximum tolerable current intensity for the second part of the project. The treadmill test showed a significant increase in metabolic demands during WB-EMS-W and WB-EMS-NW by an increased VO2 and blood lactate concentration. However, the clinical relevance of these findings remains debatable. The study also found that WB-EMS superimposed exercises are perceived as more strenuous than conventional exercise. While in parts comparable studies lead to higher results for VO2, our results are in line with those of other studies using the same frequency. Due to the minor clinical relevance the use of WB-EMS as exercise intensification tool during walking and Nordic walking is limited. High device cost should be considered. Habituation to WB-EMS could increase current intensity tolerance and VO2 and make it a meaningful method in the treatment of T2DM. Recent figures show that WB-EMS is used in obese people to achieve health and weight goals. The supposed benefit should be further investigated scientifically.
This study explores the identity of the Bene Israel caste from India and its assimilation into Israeli society. The large immigration from India to Israel started in the early 1950s and continued until the early 1970s. Initially, these immigrants struggled hard as they faced many problems such as the language barrier, cultural differences, a new climate, geographical isolation, and racial discrimination. This analysis focuses on the three major aspects of the integration process involving the Bene Israel: economic, socio-cultural and political. The study covers the period from the early fifties to the present.
I will focus on the origin of the Bene Israel, which has evolved after their immigration to Israel; from a Hindu–Muslim lifestyle and customs they integrated into the Jewish life of Israel. Despite its ethnographic nature, this study has theological implications as it is an encounter between Jewish monotheism and Indian polytheism.
All the western scholars who researched the Bene Israel community felt impelled to rely on information received by community members themselves. No written historical evidence recorded Bene Israel culture and origin. Only during the nineteenth century onwards, after the intrusion of western Jewish missionaries, were Jewish books translated into Marathi . Missionary activities among the Bene Israel served as a catalyst for the Bene Israel themselves to investigate their historical past . Haeem Samuel Kehimkar (1830-1908), a Bene Israel teacher, wrote notes on the history of the Bene Israel in India in Marathi in 1897. Brenda Ness wrote in her dissertation:
The results [of the missionary activities] are several works about the community in English and Marathi by Bene-Israel authors which have appeared during the last century. These are, for the most part, not documented; they consist of much theorizing on accepted tradition and tend to be apologetic in nature.
There can be no philosophical explanation or rational justification for an entire community to leave their motherland India, and enter into a process of annihilation of its own free will. I see this as a social and cultural suicide. In craving for a better future in Israel, the Indian Bene Israel community pays an enormously heavy price as a people that are today discarded by the East and disowned by the West: because they chose to become something that they never were and never could be. As it is written, “know where you came from, and where you are going.” A community with an ancient history from a spiritual culture has completely lost its identity and self-esteem.
In concluding this dissertation, I realize the dilemma with which I have confronted the members of the Bene Israel community which I have reviewed after strenuous and constant self-examination. I chose to evolve the diversifications of the younger generations urges towards acceptance, and wish to clarify my intricate analysis of this controversial community. The complexity of living in a Jewish State, where citizens cannot fulfill their basic desires, like matrimony, forced an entire community to conceal their true identity and perjure themselves to blend in, for the sake of national integration. Although scholars accepted their new claims, the skepticism of the rabbinate authorities prevails, and they refuse to marry them to this day, suspecting they are an Indian caste.
Dispersal behavior plays an important role for the geographical distribution and population structure of any given species. Individual’s fitness, reproductive and competitive ability, and dispersal behavior can be determined by the age of the individual. Age-dependent as well as density-dependent dispersal patterns are common in many bird species. In this thesis, I first present age-dependent breeding ability and natal site fidelity in white storks (Ciconia ciconia); migratory birds breeding in large parts of Europe. I predicted that both the proportion of breeding birds and natal site fidelity increase with the age. After the seventies of the last century, following a steep population decline, a recovery of the white stork population has been observed in many regions in Europe. Increasing population density in the white stork population in Eastern Germany especially after 1983 allowed examining density- as well as age-dependent breeding dispersal patterns. Therefore second, I present whether: young birds show more often and longer breeding dispersal than old birds, and frequency of dispersal events increase with the population density increase, especially in the young storks. Third, I present age- and density-dependent dispersal direction preferences in the give population. I asked whether and how the major spring migration direction interacts with dispersal directions of white storks: in different age, and under different population densities. The proportion of breeding individuals increased in the first 22 years of life and then decreased suggesting, the senescent decay in aging storks. Young storks were more faithful to their natal sites than old storks probably due to their innate migratory direction and distance. Young storks dispersed more frequently than old storks in general, but not for longer distance. Proportion of dispersing individuals increased significantly with increasing population densities indicating, density- dependent dispersal behavior in white storks. Moreover, the finding of a significant interaction effects between the age of dispersing birds and year (1980–2006) suggesting, older birds dispersed more from their previous nest sites over time due to increased competition. Both young and old storks dispersed along their spring migration direction; however, directional preferences were different in young storks and old storks. Young storks tended to settle down before reaching their previous nest sites (leading to the south-eastward dispersal) while old birds tended to keep migrating along the migration direction after reaching their previous nest sites (leading to the north-westward dispersal). Cues triggering dispersal events may be age-dependent. Changes in the dispersal direction over time were observed. Dispersal direction became obscured during the second half of the observation period (1993–2006). Increase in competition may affect dispersal behavior in storks. I discuss the potential role of: age for the observed age-dependent dispersal behavior, and competition for the density dependent dispersal behavior. This Ph.D. thesis contributes significantly to the understanding of population structure and geographical distribution of white storks. Moreover, presented age- and density (competition)-dependent dispersal behavior helps understanding underpinning mechanisms of dispersal behavior in bird species.
The term Linked Data refers to connected information sources comprising structured data about a wide range of topics and for a multitude of applications. In recent years, the conceptional and technical foundations of Linked Data have been formalized and refined. To this end, well-known technologies have been established, such as the Resource Description Framework (RDF) as a Linked Data model or the SPARQL Protocol and RDF Query Language (SPARQL) for retrieving this information. Whereas most research has been conducted in the area of generating and publishing Linked Data, this thesis presents novel approaches for improved management. In particular, we illustrate new methods for analyzing and processing SPARQL queries. Here, we present two algorithms suitable for identifying structural relationships between these queries. Both algorithms are applied to a large number of real-world requests to evaluate the performance of the approaches and the quality of their results. Based on this, we introduce different strategies enabling optimized access of Linked Data sources. We demonstrate how the presented approach facilitates effective utilization of SPARQL endpoints by prefetching results relevant for multiple subsequent requests. Furthermore, we contribute a set of metrics for determining technical characteristics of such knowledge bases. To this end, we devise practical heuristics and validate them through thorough analysis of real-world data sources. We discuss the findings and evaluate their impact on utilizing the endpoints. Moreover, we detail the adoption of a scalable infrastructure for improving Linked Data discovery and consumption. As we outline in an exemplary use case, this platform is eligible both for processing and provisioning the corresponding information.
What can we learn from climate data? : Methods for fluctuation, time/scale and phase analysis
(2006)
Since Galileo Galilei invented the first thermometer, researchers have tried to understand the complex dynamics of ocean and atmosphere by means of scientific methods. They observe nature and formulate theories about the climate system. Since some decades powerful computers are capable to simulate the past and future evolution of climate. Time series analysis tries to link the observed data to the computer models: Using statistical methods, one estimates characteristic properties of the underlying climatological processes that in turn can enter the models. The quality of an estimation is evaluated by means of error bars and significance testing. On the one hand, such a test should be capable to detect interesting features, i.e. be sensitive. On the other hand, it should be robust and sort out false positive results, i.e. be specific. This thesis mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis with a focus on sensitivity and specificity and to apply the investigated methods to recent climatological problems. First, the inference of long-range correlations by means of Detrended Fluctuation Analysis (DFA) is studied. It is argued that power-law scaling of the fluctuation function and thus long-memory may not be assumed a priori but have to be established. This requires to investigate the local slopes of the fluctuation function. The variability characteristic for stochastic processes is accounted for by calculating empirical confidence regions. The comparison of a long-memory with a short-memory model shows that the inference of long-range correlations from a finite amount of data by means of DFA is not specific. When aiming to infer short memory by means of DFA, a local slope larger than $\alpha=0.5$ for large scales does not necessarily imply long-memory. Also, a finite scaling of the autocorrelation function is shifted to larger scales in the fluctuation function. It turns out that long-range correlations cannot be concluded unambiguously from the DFA results for the Prague temperature data set. In the second part of the thesis, an equivalence class of nonstationary Gaussian stochastic processes is defined in the wavelet domain. These processes are characterized by means of wavelet multipliers and exhibit well defined time dependent spectral properties; they allow one to generate realizations of any nonstationary Gaussian process. The dependency of the realizations on the wavelets used for the generation is studied, bias and variance of the wavelet sample spectrum are calculated. To overcome the difficulties of multiple testing, an areawise significance test is developed and compared to the conventional pointwise test in terms of sensitivity and specificity. Applications to Climatological and Hydrological questions are presented. The thesis at hand mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis and to apply the investigated methods to recent climatological problems. In the last part, the coupling between El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Monsoon on inter-annual time scales is studied by means of Hilbert transformation and a curvature defined phase. This method allows one to investigate the relation of two oscillating systems with respect to their phases, independently of their amplitudes. The performance of the technique is evaluated using a toy model. From the data, distinct epochs are identified, especially two intervals of phase coherence, 1886-1908 and 1964-1980, confirming earlier findings from a new point of view. A significance test of high specificity corroborates these results. Also so far unknown periods of coupling invisible to linear methods are detected. These findings suggest that the decreasing correlation during the last decades might be partly inherent to the ENSO/Monsoon system. Finally, a possible interpretation of how volcanic radiative forcing could cause the coupling is outlined.
Countries processing raw coffee beans are burdened with low economical incomes to fight the serious environmental problems caused by the by-products and wastewater that is generated during the wet-coffee processing. The aim of this work was to develop alternative methods of improving the waste by-product quality and thus making the process economically more attractive with valorization options that can be brought to the coffee producers.
The type of processing influences not only the constitution of green coffee but also of by-products and wastewater. Therefore, coffee bean samples as well as by-products and wastewater collected at different production steps of were analyzed. Results show that the composition of wastewater is dependent on how much and how often the wastewater is recycled in the processing. Considering the coffee beans, results indicate that the proteins might be affected during processing and a positive effect of the fermentation on the solubility and accessibility of proteins seems to be probable. The steps of coffee processing influence the different constituents of green coffee beans which, during roasting, give rise to aroma compounds and express the characteristics of roasted coffee beans. Knowing that this group of compounds is involved in the Maillard reaction during roasting, this possibility could be utilized for the coffee producers to improve the quality of green coffee beans and finally the coffee cup quality.
The valorization of coffee wastes through modification to activated carbon has been considered as a low-cost option creating an adsorbent with prospective to compete with commercial carbons. Activation protocol using spent coffee and parchment was developed and prepared to assess their adsorption capacity for organic compounds. Spent coffee grounds and parchment proved to have similar adsorption efficiency to commercial activated carbon.
The results of this study document a significant information originating from the processing of the de-pulped to green coffee beans. Furthermore, it showed that coffee parchment and spent coffee grounds can be valorized as low-cost option to produce activated carbons. Further work needs to be directed to the optimization of the activation methods to improve the quality of the materials produced and the viability of applying such experiments in-situ to bring the coffee producer further valorization opportunities with environmental perspectives.
Coffee producers would profit in establishing appropriate simple technologies to improve green coffee quality, re-use coffee by-products, and wastewater valorization.
In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin’s thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hydrocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian, Rhaethian-Liassic, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m∙K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m∙K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m∙K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The ‘corrected’ geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools. By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 4 to 11%. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models.
Das Centrosom von Dictyostelium ist acentriolär aufgebaut, misst ca. 500 nm und besteht aus einer dreischichten Core-Struktur mit umgebender Corona, an der Mikrotubuli nukleieren. In dieser Arbeit wurden das centrosomale Protein Cep192 und mögliche Interaktionspartner am Centrosom eingehend untersucht. Die einleitende Lokalisationsuntersuchung von Cep192 ergab, dass es während der gesamten Mitose an den Spindelpolen lokalisiert und im Vergleich zu den anderen Strukturproteinen der Core-Struktur am stärksten exprimiert ist. Die dauerhafte Lokalisation an den Spindelpolen während der Mitose wird für Proteine angenommen, die in den beiden identisch aufgebauten äußeren Core-Schichten lokalisieren, die das mitotische Centrosom formen. Ein Knockdown von Cep192 führte zur Ausbildung von überzähligen Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOC) sowie zu einer leicht erhöhten Ploidie. Deshalb wird eine Destabilisierung des Centrosoms durch die verminderte Cep192-Expression angenommen. An Cep192 wurden zwei kleine Tags, der SpotH6- und BioH6-Tag, etabliert, die mit kleinen fluoreszierenden Nachweiskonjugaten markiert werden konnten. Mit den so getagten Proteinen konnte die hochauflösende Expansion Microscopy für das Centrosom optimiert werden und die Core-Struktur erstmals proteinspezifisch in der Fluoreszenzmikroskopie dargestellt werden. Cep192 lokalisiert dabei in den äußeren Core-Schichten. Die kombinierte Markierung von Cep192 und den centrosomalen Proteinen CP39 und CP91 in der Expansion Microscopy erlaubte die Darstellung des dreischichtigen Aufbaus der centrosomalen Core-Struktur, wobei CP39 und CP91 zwischen Cep192 in der inneren Core-Schicht lokalisieren. Auch die Corona wurde in der Expansion Microscopy untersucht: Das Corona-Protein CDK5RAP2 lokalisiert in räumlicher Nähe zu Cep192 in der inneren Corona. Ein Vergleich der Corona-Proteine CDK5RAP2, CP148 und CP224 in der Expansion Microscopy ergab unterscheidbare Sublokalisationen der Proteine innerhalb der Corona und relativ zur Core-Struktur. In Biotinylierungsassays mit den centrosomalen Core-Proteinen CP39 und CP91 sowie des Corona-Proteins CDK5RAP2 konnte Cep192 als möglicher Interaktionspartner identifiziert werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die wichtige Funktion des Proteins Cep192 im Dictyostelium-Centrosom und ermöglichen durch die Kombination aus Biotinylierungsassays und Expansion Microscopy der untersuchten Proteine ein verbessertes Verständnis der Topologie des Centrosoms.
Substanzen der pharmazeutischen und chemischen Industrie müssen nach internationalen Richtlinien auf deren Toxizität gegenüber Mensch und Umwelt geprüft werden. Dazu gehören u. a. Prüfungen zur Vorhersage des embryotoxischen Potentials, die am lebenden Organismus durchgeführt werden. Mit dem Ziel die Anzahl der Tierversuche zu verringern, die notwendig sind um das toxikologische Profil einer Prüfsubstanz zu bestimmen, wurde der Embryonale Stammzelltest (EST) entwickelt. Als Grundlage des EST dienen embryonale Stammzellen (ES-Zellen) einer Zelllinie. ES-Zellen sind Zellen, die sich in der frühen embryonalen Entwicklung in die Zellen der Keimblätter entwickeln können. Daraus wiederum differenzieren die vielen verschiedenen, unterschiedlich spezialisierten Zelltypen des komplexen Organismus. Im EST wird die Konzentration einer Prüfsubstanz bestimmt, bei der die Differenzierung von ES-Zellen zu Herzmuskelzellen zu 50 % inhibiert wird. Zusätzlich wird die Konzentration der Prüfsubstanz bestimm°t, bei der 50 % der ES-Zellen (IC50D3) bzw. Fibroblastenzellen (IC503T3) absterben. Die allgemeine Toxizität ist damit von der spezifischen Toxizität der Prüfsubstanz auf die ES-Zellen und deren Differenzierung unterscheidbar. Die Parameter fliessen in ein biostatistisches Modell zur Prädiktion des embryotoxischen Potentials der Prüfsubstanzen ein. Es wurde ein Versuchsprotokoll entwickelt, wonach die ES-Zellen sich verstärkt zu Endothelzellen differenzieren. Die Endothelzellen, die im lebenden Organismus die Wand der späteren Blutgefässe, wie Venen und Arterien bilden, wurden mittels molekularbiologischer Methoden auf der RNA- und der Protein-Ebene nachgewiesen und quantifiziert. Verschiedene Zellkulturmethoden, Wachstumsfaktoren, als auch Wachstumsfaktorkonzentrationen wurden auf deren Vermögen die Differenzierung der ES-Zellen zu Endothelzellen zu induzieren, untersucht. Nach der Etablierung des Differenzierungsprotokolls wurden sieben Substanzen auf deren Vermögen geprüft, die Differenzierung von ES-Zellen zu Endothelzellen zu inhibieren. Die Endothelzellen wurden dabei über die Expression der RNA von zwei endothelzellspezifischen Genen quantifiziert. Im Vergleich dazu wurden die IC50D3 und die IC503T3 der Prüfsubstanz bestimmt, um eine Abschätzung des embryotoxischen Potentials der Prüfsubstanz zu ermöglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Abschätzung des embryotoxischen Potentials der sieben Prüfsubstanzen in nicht-, schwach- oder stark embryotoxisch vorgenommen werden konnte. Es ist zu schlussfolgern, dass der weiterentwickelte in vitro Embryotoxizitätsassay sensitiv und reproduzierbar ist. Mit der Verwendung von verschiedenen Differenzierungsendpunkten kann die Prädiktionskraft des Assays deutlich verbessert, und die Anzahl von Tierversuchen verringert werden. Durch die Verwendung von molekularbiologischen Markern kann der Assay einem Hochdurchsatzscreening zugängig gemacht werden und damit die Anzahl von Prüfsubstanzen deutlich erhöht werden.
Die Arbeit untersucht erstmals die evangelischen Vereine für weibliche Jugendliche, die so genannten Jungfrauenvereine, von ihrer Entstehung in den 1840er Jahren bis zum 1. Weltkrieg, sowie insbesondere den 1893 gegründeten Verband der evangelischen Jungfrauenvereine Deutschlands (später Evangelischer Verband zur Pflege der weiblichen Jugend Deutschlands, ab 1929 Evangelischer Reichsverband weiblicher Jugend). In der ersten Hälfte des 19. Jahrhundert begann ein Teil des protestantischen Bürgertums damit, für die hochmobilen Unterschichts-Jugendlichen, die im Zuge der Industrialisierung als Handwerksgesellen und Dienstmädchen, später als Fabrikarbeiter und -arbeiterinnen in die expandierenden Großstädten gingen, Herbergen und Vereine zu gründen. Damit trugen die Initiatoren wesentlich zur Entstehung eines öffentliches Bewusstsein für die prekäre Lebenssituation der Unterschichtsjugend und für die Notwendigkeit präventiver Jugendarbeit bei. Der Verband initiierte dann in den Jahren um 1900 zahlreiche innovative soziale Projekte in der weiblichen Jugendpflege und Jugendfürsorge. Die Arbeit untersucht drei Bereiche: 1. Vereine (sog. Abendheime) und Wohnheime für Fabrikarbeiterinnen; 2. die 1894 begonnene Bahnhofmission, die sich der mobilen weiblichen Jugendlichen direkt an die Bahnhöfen annahm; 3. Erholungshäuser für erwerbstätige Jugendliche. Bei allen Initiativen arbeitete der Verband eng mit seinem lokalen Partner, dem Berliner Verein zur Fürsorge für die weibliche Jugend zusammen, der neue Arbeitsbereiche in der Praxis testete. Neben der Verbandsgeschichte im engeren Sinne thematisiert die Untersuchung auch die Konzeption und die Inhalte der Vereinsarbeit. Orientiert an dem Konzept einer christlichen Persönlichkeitsbildung sollte die Vereinsarbeit möglichst viele Bereiche jugendlichen Lebens umfassen: Arbeit (inkl. Erholungsurlaub), Wohnen, Freizeit (Geselligkeit, Lektüre), Gesundheit und Bildung. Da jedoch aufgrund der Orientierung an einem konservativen Frauenbild der Bereich jugendlicher Sexualität bewusst ausgeklammert wurde, erreichte man mit diesem Konzept präventiver Jugendarbeit im wesentlichen nur die ohnehin wohlanständigen Jugendlichen. Die Spannung zwischen einem konservativen Frauenbild einerseits und den modernisierenden Impulsen einer Jugendarbeit mit weiblichen Jugendlichen andererseits zeigt sich auch daran, dass der Verband durch die Gründung eines Berufsverbandes für Sozialarbeiterinnen (Verband der Berufsarbeiterinnen der Inneren Mission) und der Einrichtung von Ausbildungsstätten wesentlichen Anteil an den modernisierenden Prozessen der Verberuflichung der sozialen Arbeit und der kirchlichen Jugendpflege zu Berufen bürgerlicher Frauen hatte.
Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von Oktober 2002 bis November 2005 an dem Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam in Kooperation mit dem Institut für Chemie des GKSS Forschungszentrums in Teltow unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. B. Micheel und Herrn Prof. Dr. Th. Groth angefertigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen von Immunzellen mit verschiedenen Kultursubstraten untersucht. Dafür wurden drei verschiedene Hybridomzelllinien eingesetzt. Eine Hybridomzelllinie (K2) ist im Laufe dieser Arbeit hergestellt und etabliert worden. Der Einsatz von synthetischen und proteinbeschichteten Kulturoberflächen führte bei Hybridomzellen zu einer deutlich gesteigerten Antikörpersynthese im Vergleich zu herkömmlichen Zellkulturmaterialien. Obwohl diese Zellen in der Regel als Suspensionszellen kultiviert werden, führten die eingesetzten Polymermembranen (PAN, NVP) zu einer verbesserten Antikörpersynthese (um 30%) gegenüber Polystyrol als Referenz. Es konnte gezeigt werden, dass es einen Zusammenhang zwischen der Produktivität und dem Adh asionsverhalten der Hybridomzellen gibt. Um den Einfluss von Proteinen der extrazellulären Matrix auf Zellwachstum und Antikörpersynthese von Hybridomzellen zu untersuchen, wurden proteinbeschichtete Polystyrol-Oberflächen eingesetzt. Für die Modifikationen wurden Fibronektin, Kollagen I, Laminin und BSA ausgewählt. Die Modifikation der Polystyrol-Oberfläche mit geringen Mengen Fibronektin (0,2-0,4 µg/ml) führte zu einer beträchtlichen Steigerung der Antikörpersynthese um 70-120%. Für Kollagen I- und BSA-Beschichtungen konnten Steigerungen von 40% beobachtet werden. Modifikationen der Polystyrol-Oberfläche mit Laminin zeigten nur marginale Effekte. Durch weitere Versuche wurde bestätigt, dass die Adhäsion der Zellen an Kollagen I- und Laminin-beschichteten Oberflächen verringert ist. Die alpha2-Kette des alpha2beta1-Integrins konnte auf der Zelloberfläche nicht nachgewiesen werden. Durch ihr Fehlen wird wahrscheinlich die Bindungsfähigkeit der Zellen an Kollagen I und Laminin beeinflusst. Durch die Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass Hybridomzellen nicht nur Suspensionszellen sind und das Kultursubstrate das Zellwachstum und die Produktivität dieser Zellen stark beeinflussen können. Der Einsatz von synthetischen und proteinbeschichteten Kultursubstraten zur Steigerung der Antikörpersynthese kann damit für die industrielle Anwendung von großer Relevanz sein. Für die Modellierung einer Lymphknotenmatrix wurden Fibronektin, Kollagen I, Heparansulfat und N-Acetylglucosamin-mannose in verschiedenen Kombinationen an Glasoberflächen adsorbiert und für Versuche zur In-vitro-Immunisierung eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Modifikation der Oberflächen die Aktivierung und Interaktion von dendritischen Zellen, T- und B-Lymphozyten begünstigt, was durch den Nachweis spezifischer Interleukine (IL12, IL6) und durch die Synthese spezifischer Antikörper bestätigt wurde. Eine spezifische Immunreaktion gegen das Antigen Ovalbumin konnte mit den eingesetzten Zellpopulationen aus Ovalbumin-T-Zell-Rezeptor-transgenen Mäusen nachgewiesen werden. Die In-vitro-Immunantwort wurde dabei am stärksten durch eine Kombination von Kollagen I, Heparansulfat und N-Acetylglucosamin-mannose auf einer Glasoberfläche gefördert. Die Etablierung einer künstlichen Immunreaktion kann eine gesteuerte Aktivierung bzw. Inaktivierung von körpereigenen dendritischen Zellen gegen bestehende Krankheitsmerkmale in vitro ermöglichen. Durch die Versuche wurden Grundlagen für spezifische Immunantworten erarbeitet, die u.a. für die Herstellung von humanen Antikörpern eingesetzt werden können.
Weltweit versuchen Wissenschaftler, künstliche Viren für den Gentransfer zu konstruieren, die nicht reproduktionsfähig sind. Diese sollen die Vorteile der natürlichen Viren besitzen (effizienter Transport von genetischem Material), jedoch keine Antigene auf ihrer Oberfläche tragen, die Immunreaktionen auslösen. Ziel dieses Projektes ist es, einen künstlichen Viruspartikel herzustellen, dessen Basis eine Polyelektrolytenhohlkugel bildet, die mit einer Lipiddoppelschicht bedeckt ist. Um intakte Doppelschichten zu erzeugen, muss die Wechselwirkung zwischen Lipid und Polyelektrolyt (z.B. DNA) verstanden und optimiert werden. Dazu ist es notwendig, die strukturelle Grundlage der Interaktion aufzuklären. Positiv geladene Lipide gehen zwar starke Wechselwirkungen mit der negativ geladenen DNA ein, sie wirken jedoch toxisch auf biologische Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die durch zweiwertige Kationen vermittelte Kopplung von genomischer oder Plasmid-DNA an zwitterionische oder negativ geladene Phospholipide an zwei Modellsystemen untersucht. 1. Modellsystem: Lipidmonoschicht an der Wasser/Luft-Grenzfläche Methoden: Filmwaagentechnik in Kombination mit IR-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenreflexion (XR), Röntgendiffraktion (GIXD), Brewsterwinkel-Mikroskopie (BAM), Röntgenfluoreszenz (XRF) und Oberflächenpotentialmessungen Resultate: A) Die Anwesenheit der zweiwertigen Kationen Ba2+, Mg2+, Ca2+ oder Mn2+ in der Subphase hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Struktur der zwitterionischen DMPE- (1,2-Dimyristoyl-phosphatidyl-ethanolamin) Monoschicht. B) In der Subphase gelöste DNA adsorbiert nur in Gegenwart dieser Kationen an der DMPE-Monoschicht. C) Sowohl die Adsorption genomischer Kalbsthymus-DNA als auch der Plasmid-DNA pGL3 bewirkt eine Reduktion des Neigungswinkels der Alkylketten, die auf einen veränderten Platzbedarf der Kopfgruppe zurückzuführen ist. Durch die Umorientierung der Kopfgruppe wird die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Stickstoffatomen der Lipidkopfgruppen und den negativ geladenen DNA-Phosphaten erhöht. D) Die adsorbierte DNA weist eine geordnete Struktur auf, wenn sie durch Barium-, Magnesium-, Calcium- oder Manganionen komplexiert ist. Der Abstand zwischen parallelen DNA-Strängen hängt dabei von der Größe der DNA-Fragmente sowie von der Art des Kations ab. Die größten Abstände ergeben sich mit Bariumionen, gefolgt von Magnesium- und Calciumionen. Die kleinsten DNA-Abstände werden durch Komplexierung mit Manganionen erhalten. Diese Ionenreihenfolge stellt sich sowohl für genomische DNA als auch für Plasmid-DNA ein. E) Die DNA-Abstände werden durch die Kompression des Lipidfilms nicht beeinflusst. Zwischen der Lipidmonoschicht und der adsorbierten DNA besteht demnach nur eine schwache Wechselwirkung. Offensichtlich befindet sich die durch zweiwertige Kationen komplexierte DNA als weitgehend eigenständige Schicht unter dem Lipidfilm. 2. Modellsystem: Lipiddoppelschicht an der fest/flüssig-Grenzfläche Methoden: Neutronenreflexion (NR) und Quarzmikrowaage (QCM-D) Resultate: A) Das zwitterionische Phospholipid DMPC (1,2-Dimyristoyl-phosphatidylcholin) bildet keine Lipiddoppelschicht auf planaren Polyelektrolytmultischichten aus, deren letzte Lage das positiv geladene PAH (Polyallylamin) ist. B) Hingegen bildet DMPC auf dem negativ geladenen PSS (Polystyrolsulfonat) eine Doppelschicht aus, die jedoch Defekte aufweist. C) Eine Adsorption von genomischer Kalbsthymus-DNA auf dieser Lipidschicht findet nur in Gegenwart von Calciumionen statt. Andere zweiwertige Kationen wurden nicht untersucht. D) Das negativ geladene Phospholipid DLPA (1,2-Dilauryl-phosphatidsäure) bildet auf dem positiv geladenen PAH eine Lipiddoppelschicht aus, die Defekte aufweist. E) DNA adsorbiert ebenfalls erst in Anwesenheit von Calciumionen in der Lösung an die DLPA-Schicht. F) Durch die Zugabe von EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) werden die Calciumionen dem DLPA/DNA-Komplex entzogen, wodurch dieser dissoziiert. Demnach ist die calciuminduzierte Bildung dieser Komplexe reversibel.