Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftsmethodische Kompetenzen sind ein Kernelement naturwissenschaftlicher Bildung und in den Bildungsstandards als Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung verbindlich festgeschrieben. Fokus aktueller naturwissenschaftsdidaktischer Forschung ist es, für diese normativen Standards theorie- und evidenzbasierte Kompetenzmodelle zu erarbeiten. In der vorliegenden Dissertation wird zum Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung für den Teilbereich der wissenschaftlichen Erkenntnismethoden geprüft, ob sich die im Kompetenzmodell wissenschaftlichen Denkens von Mayer (2007) angenommenen Teilkompetenzen Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung einer Untersuchung sowie Deutung der Ergebnisse empirisch bestätigen lassen. Zudem wird quer- und längsschnittlich untersucht, wie sich die Kompetenz innerhalb der Sekundarstufe I entwickelt, welche Rolle Personenmerkmale spielen und ob die Unterrichtsgestaltung im Projekt Biologie im Kontext, in dessen Rahmen die Untersuchung stattfand, einen kompetenzfördernden Einfluss auf die Lernenden hat. Als Instrument wurde ein Kompetenztest mit offenen Aufgaben im Multimatrix-Design zum Thema Experimentieren im Biologieunterricht entwickelt und in Gymnasien, Realschulen und Hauptschulen in Hessen und Bayern in den Jahrgangsstufen 5-10 eingesetzt. Die Schülerantworten wurden anhand fünf a priori entwickelter Niveaustufen bewertet und mit der Item-Response-Theorie ausgewertet. Auf Basis einer Validierungsstudie (N= 1562) wurden mittels 24 Items die Schülerkompetenzen in querschnittlichen Analysen (N= 1553) sowie in einem Längsschnitt über ein Schuljahr (N= 1129) untersucht. Die Modellprüfung weist dem vierdimensionalen Modell eine bessere Passung zu als dem eindimensionalen Modell. Schwache bis mittlere Interkorrelationen und eine nachgeschaltete Faktorenanalyse lassen ebenfalls darauf schließen, dass dem vierdimensionalen Modell mit den postulierten Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese, Planung und Deutung gegenüber dem eindimensionalen Modell der Vorzug zu geben ist. Die querschnittlichen Analysen zeigen, dass zwischen den Jahrgangsstufen 5 6, 7 8 und 9 10 signifikante Leistungsunterschiede in der Gesamtkompetenz und den Teilkompetenzen bestehen. Dabei nehmen die zwischen den Teilkompetenzen festgestellten Leistungsunterschiede mit der Jahrgangsstufe zu. Die längsschnittlichen Analysen belegen Leistungszuwächse der Lernenden über ein Schuljahr: Die Kompetenz steigt hier in der Gesamtstichprobe und innerhalb der einzelnen Jahrgangsstufen der Sekundarstufe I signifikant an. Vergleicht man die verschiedenen Jahrgangsstufen in ihrem Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr, so zeigt sich, dass der Kompetenzzuwachs in den Jahrgängen 5 8 stärker ausgeprägt ist als in den Jahrgängen 9 10. Auf Ebene der Teilkompetenzen liegt für die Gesamtstichprobe ein Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr in den Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese und Planung vor, während in der Teilkompetenz Deutung ein geringer Kompetenzrückgang zu verzeichnen ist. Der Kompetenzgrad hängt mit der besuchten Schulform zusammen. Dabei zeigen Gymnasiasten querschnittlich untersucht bessere Leistungen als Realschüler oder Hauptschüler, wobei die Unterschiede zur Hauptschule besonders deutlich ausfallen. Kompetenzzuwächse über ein Schuljahr zeigen sich ausschließlich in Gymnasium und Realschule. Das Alter hat weder quer- noch längsschnittlich untersucht eigene Effekte auf die Kompetenzentwicklung, ebenso wenig wie das Geschlecht der Probanden. Der Einfluss der Biologienote ist im querschnittlichen Vergleich gering, im längsschnittlichen Vergleich nicht nachweisbar. Lernende, die am Projekt Biologie im Kontext teilnahmen, in dem Unterrichtsbausteine zur Erkenntnisgewinnung eingesetzt wurden, und deren Lehrkräfte verstärkt kompetenzorientiert unterrichteten, zeigen in den Klassen 9 10 größere Kompetenzzuwächse über ein Jahr als Probanden aus entsprechenden Kontrollklassen. Die Untersuchung zeigt, dass wissenschaftsmethodische Kompetenzen in der Sekundarstufe I vermittelt und weiterentwickelt werden. Der Befund der diskontinuierlichen Kompetenzentwicklung und der mit den Schuljahren zunehmenden Leistungsunterschiede zwischen den Teilkompetenzen führt als didaktische Implikation zu dem Schluss, dass weitere Maßnahmen zur Förderung wissenschaftsmethodischer Kompetenzen notwendig sind, um einen kumulativen Kompetenzaufbau gewährleisten zu können.

Ein empirischer Ansatz zur Beschreibung der Horizontaltragfähigkeit gemauerter Wandscheiben unter Berücksichtigung der Interaktion innerhalb der Gebäudestruktur

Mauerwerksbauten mit geringen Schubwandquerschnitten sind auf Grund der erhöhten Einwirkungen nach DIN 4149:2005-04 in Gebieten geringer Seismizität nicht mehr nachzuweisen. Durch Großversuche, die innerhalb eines europäischen Forschungsvorhabens durchgeführt wurden, konnte jedoch die Tragfähigkeit solcher Gebäude unter Beweis gestellt werden. Auf Grundlage von 54 an der Universität Kassel durchgeführten Wandversuchen an geschosshohen Mauerwerksscheiben wird der Einfluss von Randbedingungen des Gesamtgebäudes aufgezeigt, die Tragfähigkeit und deren Interaktion innerhalb der Tragstruktur untersucht. Hierzu wird eine Methode angegeben, die es auf Kenntnis der Wandgeometrie, der vertikalen Ausnutzung und der verwendeten Mauerwerksart erlaubt, die Versagensart der Wandscheibe zu ermitteln. Auf Basis dieser Methode wird ein empirischer Ansatz zur Bestimmung der Tragfähigkeit hergeleitet. Die Randbedingung der Wandscheiben und deren Einfluss auf die Horizontaltragfähigkeit werden aufgezeigt und analytisch wie versuchtechnisch ausgewertet. Den offensichtlich größten Einfluss der Randbedingungen auf die Tragfähigkeit hat die Einspannung des Wandkopfes in die Decke. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Einspanngrades über einen Einspannwirksamkeitsbeiwert 0 bestimmt und dieser den geometrischen Größen, welche den Einspanngrad beeinflussen, gegenüber gestellt. Hiermit kann gezeigt werden, dass die Annahme einer vollen Einspannung für den rechnerischen Nachweis der Horizontaltragfähigkeit in einem definierten Bereich mit maximal 20 % auf der unsicheren Seite liegt, was unter Berücksichtigung der Streuungen des verwendeten Baustoffes eine sehr geringe Abweichung darstellt. Weiterhin wird die Randbedingung „Wachsen“ einer Wandscheibe beschrieben und deren Auswirkungen auf die Umlagerung der Vertikalkräfte zwischen den einzelnen Wänden eines Gebäudes dargestellt. Hierzu werden die Wände, welche auf Kippen versagen, innerhalb eines dreidimensionalen FE-Modells als Doppel-T-Stabwerke modelliert und die anderen Querwände lediglich als Auflager, die auf Zug ausfallen. So können die Vertikalkräfte der Schubwände in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung und dem Verformungsgrad bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Verfahren kann unter Berücksichtigung der Einspannung am Wandkopf und des „Wachsens“ der Wandscheibe der oben beschriebene Großversuch rechnerisch auf Grundlage eines empirischen Ansatzes mit guter Näherung nachvollzogen werden.

Bildung für nachhaltige Entwicklung als Antwort auf den Globalisierungsprozess

„Jeder Mensch muss lernen wie er oder sie eine Zukunft im Sinne der Nachhaltigen Entwicklung für sich und gemeinsam mit anderen gestalten kann“ (de Haan 2009, S. 9 f.). Auf den Weltkonferenzen in Rio de Janeiro 1992 und Johannesburg 2002 wurde diese Vorgabe für die Politik und schließlich für die Bildung ausgegeben. Die Aufgabe besteht nun darin, Wege zu finden dies zu erreichen und umzusetzen. Bei den damit einhergehenden Überlegungen spielt die Bildung eine immens wichtige Rolle. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Im Mittelpunkt steht die Überprüfung der These, dass Bildung, durch die Ermöglichung eines Bewusstseinswandels der Menschen im Bezug auf nachhaltige Entwicklung als eine Antwort auf die mit dem Globalisierungsprozess verbundenen Probleme verstanden werden kann. In diesem Zusammenhang werden Bildungskonzepte, wie die Bildung für nachhaltige Entwicklung , untersucht und es wird der Frage nachgegangen, wie ein Unterricht im Sinne der nachhaltigen Entwicklung gestaltet werden muss.

Exkursionen in der politischen Bildung am Beispiel von Parlamentsbesuchen

In der vorliegenden 1. Staatsexamensarbeit setzt sich der Verfasser, Markus Junghans, mit dem Thema „Exkursionen in der politischen Bildung“ auseinander, indem er am Beispiel von Parlamentsbesuchen den fachlich-didaktischen Hintergrund zu Parlamentsbesuchen darstellt und Praxiserfahrungen sowie empirische Befunde damit verknüpft und in einem abschließenden reflektierten Fazit Anleitungsempfehlungen für Parlamentsbesuche formuliert.

Globales Lernen an Stationen – untersucht am Beispiel eines Projektes im Tropengewächshaus

Im Kontext Globalen Lernens tauchen immer wieder außerschulische Lernpartner auf. Auch neue Lehrpläne und Schulgesetze betonen diese Kooperation zunehmend. Deshalb ist es Ziel dieser Arbeit, das Bildungsangebot des Tropengewächshauses (TGH) Witzenhausen, eine Einrichtung der Universität Kassel, als außerschulischen Lernort näher zu betrachten. Mit Biodiversität, Artenvielfalt und Ungleichheit zwischen Nord und Süd sind nur einige Themenfelder benannt, die im Kontext einer global orientierten Bildung stehen. Um Zusammenhänge der Umweltproblematik verstehen zu können, müssen SchülerInnen für ökologische Themen sensibilisiert werden. Diese Sensibilisierung sieht das TGH in seiner Bildungsarbeit als ein Ziel an. Die vorliegende Arbeit untersucht, inwieweit sich das Bildungskonzept des Gewächshauses an den Kriterien des Globalen Lernens orientiert. Dafür werden mehrere Parameter identifiziert, die auf ihre Umsetzung mit Schulklassen hin beobachtet werden. Kapitel 2 der Arbeit führt an den Begriff der Globalisierung heran und beschreibt damit die Ausgangslage Globalen Lernens. Des Weiteren umreißt es sowohl die Entwicklung des Bildungskonzepts als auch dessen Einbindung in die Schule. Das Schweizer Forum: „Schule für Eine Welt“ wird als einer der ersten Vertreter Globalen Lernens im deutschsprachigen Raum näher betrachtet. Die von der Kultusministerkonferenz formulierten Kompetenzen, mit denen SchülerInnen vertraut gemacht werden sollen, werden ebenfalls in diesem Kapitel erläutert. Das 3. Kapitel beschreibt drei wissenschaftliche Konzepte Globalen Lernens. Es liefert mit diesen theoretischen Ansätzen die Grundlage für die Untersuchung. Das darauf folgende Kapitel setzt sich mit der Konzeption und der praktischen Arbeit des Tropengewächshauses der Universität Kassel auseinander und beschreibt die zu untersuchende Rallye als Methode. Der 5. Teil dieser Arbeit stellt die praktische Beobachtung von sechs Rallyes und ihre Auswertung dar. Dazu beschreibt es ausgewählte Parameter und Indikatoren zur Analyse und Bewertung. Die Arbeit trennt ganz bewusst nicht zwischen Ergebnis- und Interpretationsteil, um den direkten Bezug zu halten und die Lesbarkeit zu erleichtern. Im Analyseteil wird gleichzeitig die Arbeit am TGH bewertet, positive Aspekte werden unterstrichen und mögliche Verbesserungsvorschläge gemacht. Als Fazit wird eine abschließende Gesamtbewertung gegeben. Eine Reflexion der eigenen Arbeit schließt sich daran an. Der letzte Teil der Arbeit fasst die wesentlichen Ergebnisse zusammen.

Politische Satire im Unterricht am Beispiel der Simpsons

Kann es gelingen, anhand der Simpsons Satire im Politikunterricht zu vermitteln? Auf den ersten Blick scheinen die Simpsons eine bloße Zeichentrickserie zu sein, doch bei genauerem Hinsehen wird deutlich, dass die Serie einen Fundus an Satire und Parodie enthält, der im Unterricht behandelt werden kann. Die Simpsons sind politisch - nicht nur wegen einzelner Gastauftritte ehemaliger US-amerikanischer Präsidenten sondern auch wegen ihrer Vielzahl an satirischen Äußerungen und Anspielungen gegen die US-amerikanische Gesellschaft und deren Politik. Aufgabe dieser Arbeit soll es sein, zu untersuchen, inwieweit sich die Simpsons als Unterrichtsgegenstand eignen. Dabei soll ein erster Blick auf den Beliebtheitsgrad der Serie fallen. Es werden Gründe gesucht, warum die Serie bei Jugendlichen so erfolgreich ist und inwieweit sie sowohl junge Menschen als auch Erwachsene beeinflusst. Im Weiteren wird zum umfassenden Verständnis ein Überblick über die Serie und eine Vorstellung der Hauptcharaktere gegeben. In diesem Zusammenhang scheint auch der Bezug der Charaktere zur Gesellschaft einen wichtigen Stellenwert einzunehmen. Nachfolgend sollen politische Themen aufgezeigt werden, um zu untersuchen, ob eine Behandlung der Themen im Unterricht möglich ist. Dabei spielt auch die Satire eine wichtige Rolle. Unter Punkt 2.5 wird Satire in den Fokus gestellt. Dabei geht es neben Definitionen auch um die Frage, ob die Serie mit ihrer beinhaltenden Satire als Medium die politische Bildung beeinflusst. In einem letzten großen Schritt geht es um die Umsetzung der politisch, satirischen Themen in den Simpsons. Es soll praktisch gezeigt werden, dass es möglich ist, die Serie im Unterricht zu verwenden. Hierbei spielen sowohl Lernziele und Kompetenzen der SchülerInnen eine Rolle als auch methodische Überlegungen und Entscheidungen. Für die Behandlung der Satire in den Simpsons werden zwei Unterrichtsstunden entwickelt, wovon eine im Unterricht durchgeführt und beurteilt wurde.

The Media is the Message?!

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der grafischen Gestaltung von Mathematiklehrwerken und der damit verbundenen Wirkungen auf die SchülerInnen. Es wurde untersucht, welche Art von Gestaltungsaspekten in Schulbüchern eine positive Auswirkung auf die Lernmotivation hat. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wird zunächst erläutert, wie der menschliche Wahrnehmungsapparat nach theoretischen Erkenntnissen aus der Wahrnehmungspsychologie visuelle Elemente wie Farbe und Form verarbeitet. Anhand gestaltpsychologischer und motivationspsychologischer Theorien werden mögliche Einflüsse und in diesem Zusammenhang bedeutungsvolle Aspekte aufgezeigt. Einzelne Funktionen und Wirkungsaspekte der einzelnen Medienbausteine wie Bild, Typografie und Bild-Text-Kombinationen werden anhand von Beispielen aus Mathematiklehrwerken dargestellt. Ein Exkurs über den vermehrten Einfluss der neuen Medien bei Kindern und Jugendlichen verdeutlicht, welche visuellen Medienerfahrungen Kinder und Jugendliche bei der Betrachtung eines Schulbuches mitbringen. Anschließend werden die erarbeiteten theoretischen Grundlagen in einer praktischen Arbeit genutzt. Eine exemplarisch ausgewählte Seite eines Mathematiklehrwerks werde unter verschiedenen gestalterischen Gesichtspunkten umgestaltet, so dass mehreren Varianten entstehen. Diese Entwürfe werden in einer qualitativen Studie mit einzelnen SchülerInnen diskutiert. Die Ergebnisse der aufgezeichneten Interviews wurden durch die Auswertungsmethode des zirkulären Dekonstruierens auf die aufgeworfenen Forschungsfragen untersucht und ausgewertet.

Merkmale von Multimedia-Aufgaben und ihre Bedeutung für das Lernen

In der bereits vorhandenen Literatur wird berichtet, dass der Lernerfolg von Schülern bei der Bearbeitung von Aufgaben im Physikunterricht sowie ihre Art der Aufgabenbearbeitung maßgeblich von den in den Aufgaben vorgegebenen Zielen abhängen. Außerdem wird dem Vorwissen der Schüler eine entscheidende Rolle beim Lernerfolg zugesprochen. Zentrale Anliegen der hier vorliegenden Studie sind es, diese Ergebnisse auf eine computerbasierte Experimentierumgebung zum Federpendel in der Oberstufe zu übertragen. Es wird außerdem untersucht, inwiefern der Lernerfolg bei der Beschäftigung mit der Experimentierumgebung von der Art der Aufgabenbearbeitung abhängt. Zum Zweck der Lernerfolgsmessung sowie der Bestimmung des Vorwissens wurden Testaufgaben entwickelt, mit deren Hilfe das Wissen der Schüler vor und nach dem Einsatz der Multimedia-Aufgaben ermittelt werden konnte. Die Art der Aufgabenbearbeitung jedes Schülers wurde mit Hilfe der Analyse und anschließenden Kategorisierung von Bildschirmvideos, die die Arbeit mit der Experimentierumgebung dokumentieren, sowie durch den Einsatz eines Fragebogens bestimmt. Als zentrales Ergebnis dieser Studie ist festzuhalten, dass sich die in der Literatur zu findenden Aussagen nicht vollends auf die verwendete computerbasierte Experimentierumgebung übertragen lassen. Vielmehr scheint es Hinweise darauf zu geben, dass neben den Zielvorgaben und der Art der Aufgabenbearbeitung noch weitere Faktoren entscheidenden Einfluss auf den Lernerfolg der Schüler bei der Bearbeitung von Multimedia-Aufgaben ausüben.

Bedingungsfaktoren der Lernwirksamkeit von Multimedia-Aufgaben

In der bereits vorhandenen Literatur wird berichtet, dass der Lernerfolg von Schülern bei der Bearbeitung von Aufgaben im Physikunterricht sowie ihre Art der Aufgabenbearbeitung maßgeblich von den in den Aufgaben vorgegebenen Zielen abhängen. Außerdem wird dem Vorwissen der Schüler eine entscheidende Rolle beim Lernerfolg zugesprochen. Zentrale Anliegen der hier vorliegenden Studie sind es, diese Ergebnisse auf eine computerbasierte Experimentierumgebung zum Federpendel in der Oberstufe zu übertragen. Es wird außerdem untersucht, inwiefern der Lernerfolg bei der Beschäftigung mit der Experimentierumgebung von der Art der Aufgabenbearbeitung abhängt. Zum Zweck der Lernerfolgsmessung sowie der Bestimmung des Vorwissens wurden Testaufgaben entwickelt, mit deren Hilfe das Wissen der Schüler vor und nach dem Einsatz der Multimedia-Aufgaben ermittelt werden konnte. Die Art der Aufgabenbearbeitung jedes Schülers wurde mit Hilfe der Analyse und anschließenden Kategorisierung von Bildschirmvideos, die die Arbeit mit der Experimentierumgebung dokumentieren, sowie durch den Einsatz eines Fragebogens bestimmt. Als zentrales Ergebnis dieser Studie ist festzuhalten, dass sich die in der Literatur zu findenden Aussagen nicht vollends auf die verwendete computerbasierte Experimentierumgebung übertragen lassen. Vielmehr scheint es Hinweise darauf zu geben, dass neben den Zielvorgaben und der Art der Aufgabenbearbeitung noch weitere Faktoren entscheidenden Einfluss auf den Lernerfolg der Schüler bei der Bearbeitung von Multimedia-Aufgaben ausüben.

Transformationale Führung als Erfolgsfaktor des Interim Management

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie Führung zur Bewältigung von Unternehmenskrisen und Umsetzung von Veränderungen im Kontext des Interim Management beitragen kann. Dazu wurde die Theorie transformationaler Führung um aufgabenbezogene und indirekte Führung und den Einsatz von Positionsmacht ergänzt. Damit wurden diese erfolgskritischen Führungsdimensionen erstmals in einem gemeinsamen theoretischen Rahmen verbunden und die Auswirkungen einer kombinierten Anwendung untersucht. Dieser neue Ansatz wurde als „Total Range of Leadership“ bezeichnet. In der vorliegenden Untersuchung konnten neue Erkenntnisse zum Kontext und den Erfolgsfaktoren des Interim Management sowie zu den Auswirkungen und Wirkungsmechanismen transformationaler Führung und des Total Range of Leadership gewonnen werden. Die Untersuchungsergebnisse deuten darauf hin, dass Interim Management ein hoch effektives Veränderungsinstrument ist. Als erfolgsrelevante Rahmenbedingungen wurden die Ausstattung der Interim Manager mit umfassenden Vollmachten sowie die Unterstützung durch die Auftraggeber, als wichtigster Erfolgsfaktor des Interim Management aber eindeutig die Anwendung transformationaler Führung und des Total Range of Leadership identifiziert. Die Anwendung transformationaler Führung im Rahmen des Total Range of Leadership wirkt sich positiv auf Persönlichkeit, Einstellungen, Kompetenz und Verhalten der Mitarbeiter sowie Organisationsstruktur, Unternehmenskultur, organisationale Lernfähigkeit und finanziellen und marktbezogenen Erfolg von Unternehmens aus. Dabei erzielt transformationale Führung die bei Weitem größte Wirkung aller Führungsdimensionen. Es konnte aufgezeigt werden, dass transformationale Führung diese Wirkung nur in Verbindung mit der kompetenten Anwendung von transaktionaler, aufgabenbezogener und indirekter Führung entfalten kann. Die Untersuchungsergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass eine transformationale Führungsbeziehung nur dann entstehen kann, wenn die Mitarbeiter Vertrauen in die professionelle Kompetenz und die Integrität ihrer Führungskraft fassen. Als normative Grundlagen transformationaler Führung wurden die Gewährleistung der Wohlfahrt und des Nutzens der Geführten sowie der Bezug auf und die Berücksichtigung von geteilten und allgemein akzeptierte Werten, insbesondere der distributiven und prozeduralen Gerechtigkeit, identifiziert. Insgesamt deuten die Erkenntnisse der Untersuchung darauf hin, dass mit dem Total Range of Leadership ein ganzheitlicher Führungsansatz entwickelt wurde, der alle aktiven und positiven Führungsverhaltensweisen umfasst, die zur Bewältigung von Krisen und Durchführung von Veränderungen in Unternehmen sowie für effektive Führung überhaupt erforderlich sind.

Dimensionierung und Gestaltung von Laufställen für behornte Milchkühe unter Berücksichtigung des Herdenmanagements

Die Haltung von Milchkühen in einem Laufstall hat sich aus arbeitswirtschaftlichen und Kostengründen stark verbreitet. Im Biolandbau wird diese Entwicklung vor allem aufgrund der höheren Tiergerechtheit dieser Haltungsform forciert. Gleichzeitig werden die allermeisten Kühe für die Laufstallhaltung jedoch enthornt, unter anderem weil sich in den üblichen Ställen mit Normmassen und –konzepten Probleme mit Verletzungen unter den Tieren ergaben. Dabei sprechen die Richtlinien und Verordnungen für biologisch wirtschaftende Betriebe deutlich gegen zootechnische Eingriffe. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, zu prüfen, welche stallbaulichen Voraussetzungen eine Haltung horntragender Kühe im Laufstall gelingen lassen und mit welchen Managementmassnahmen diese optimiert werden kann. Dazu wurde zum einen in einer experimentellen Untersuchung an vier Kuhgruppen im cross-over-Design geprüft, wie sich ein gegenüber der Norm erhöhtes Platzangebot in verschiedenen Stallbereichen (Wartebereich: Crowding vs. unbeengt, Tier:Fressplatz-Verhältnis: 1:1 vs. 1:1,25, Liegefläche: 4,5 vs. 8,0 m2/Kuh, Laufhofffläche: 0 vs. 4,5 vs. 9,0 m2/Kuh) auf das (Sozial-)Verhalten behornter Kühe auswirkt, insbesondere auf das Ausmass an agonistischen Interaktionen und auf die Anzahl der Läsionen am Integument der Kühe. Zum anderen wurde in einer Praxiserhebung in 62 zumindest teilweise behornten Milchviehherden untersucht, welche Beziehungen zwischen dem Auftreten von Verletzungen und den Dimensionen und der Gestaltung der Laufställe sowie dem Herdenmanagement, der Mensch-Tier-Beziehung und den Charakteristika der Herde bestehen. Zudem wurden durch Interviews die in der Praxis vorrangig bestehenden Probleme eruiert und die Erfahrungen der Landwirte zusammengetragen. Im Experiment traten im Wartebereich beim grösseren Platzangebot statistisch auffällig (p=0,068) weniger agonistische Interaktionen unter den Kühen auf, die Zahl der Verletzungen zeigte keinen Unterschied. Im Fressbereich hatte eine Erhöhung der Anzahl Fressplätze keinen Einfluss. Eine grössere Liegefläche/Kuh auf der Tiefstreu hatte jedoch statistisch auffällig weniger agonistische Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie längere Liegezeiten und kürzere Stehzeiten (im Stall) pro Tag und damit gleichzeitig eine erhöhte Herdensynchronität zur Folge (p=0,068). Ebenso bewirkte ein erhöhtes Laufhofflächenangebot/Kuh eine geringere Häufigkeit an agonistischen Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie erhöhte Aufenthaltsdauern im Laufhof (jeweils p=0,068). In der Praxiserhebung konnten aus 113 Faktoren über Vorselektionen mittels univariaten Analysen (ANOVA) und multivariaten Regressionsanalysen in zwei Modellen multivariate Regressionsanalysen gerechnet werden, um die erklärenden Faktoren für die Variation der Verletzungen durch Hörner zu finden. Modell I (alle Betriebe, ohne Faktoren des Liegebereiches (Liegeboxenfaktoren)) wies einen Erklärungswert R2 von 0,825 und eine Signifikanz von p < 0,001 auf, Modell II (Liegeboxenbetriebe, alle Faktoren) einen Erklärungswert R2 von 0,882 und eine Signifikanz von p < 0,001. Als signifikante erklärende Faktoren für wenige Verletzungen verblieben in diesen Modellen der Stalltyp inkl. der Gliederung der Funktionsbereiche (unverbaut und übersichtlich mit klar getrennten Bereichen), eine hohe Anzahl Viehbürsten, breite Laufflächen, keine Hindernisse im Laufbereich, wenige Mitarbeiter, ein hoher Anteil eigener in die Herde eingegliederter Tiere, wenige Eingliederungen in den letzten sechs Wochen, die Rasse Fleckvieh, keine einzelnen unbehornten Kühe in der Herde und ein geringes Verletzungspotential der Hörner. Aus der Erfahrung der Landwirte ist der Fressbereich der Hauptproblembereich. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgernd sagen, dass ein Laufstall mit grosszügiger, deutlich über der Norm liegender Dimensionierung der flächigen Stallbereiche (Wartebereich, Liegefläche und Laufhoffläche/Kuh) für behornte Kühe günstige Haltungsbedingungen bietet. Engstellen hingegen bergen Konfliktpotential. Bei der Stallkonzeption muss eine klare Gliederung der Funktionsbereiche angestrebt werden, wenn Auseinandersetzungen vermieden werden sollen. Ein Tier:Fressplatz-Verhältnis von 1:1 mit ein paar Reserveplätzen scheint ausreichend, allerdings muss auf ein wirklich horngeeignetes Fressgitter mit sicherer Fixierung besonderen Wert gelegt werden. Im Management der Herde muss das Augenmerk vor allem auf das Vorgehen bei der Eingliederung von Tieren in die Herde gelegt werden. Da Eingliederungen das soziale Gefüge der Herde ändern, lassen sich mit möglichst wenig Eingliederungen von möglichst bekannten, also eigenen Tieren Auseinandersetzungen mit Verletzungen vermeiden. Günstig ist zudem, wenn nur eine Person die Herde betreut. Eine nur symptomatische, aber sehr effektive Massnahme zur Verringerung der Verletzungszahlen ist das Senken der Verletzungsgefahr der Hörner durch Entfernen spitzer Hornspitzen.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Die Ausbildung von Proteinaggregaten durch ektopisch lokalisierte, oligomerisierende, Aktin-bindende Proteine

Die ektopische Lokalisation des Aktin-bündelnden Proteins VASP an die späten Endosomen mittels VacuolinA-Myc (VAM) führt zur Ausbildung von Aktin-haltigen Aggregaten, die Ähnlichkeiten mit Hirano Bodies haben, welche neurodegenerativen Krankheiten in verschiedenen Organen entstehen. VAM-VASP-Aggregate haben neben Aktin noch einige Aktin-interagierende Proteine sequestriert und nehmen Einfluss auf unterschiedliche physiologische Prozesse der Zelle, wie z. B. das Wachstum, die Zytokinese oder den endozytotischen Transit. Mit dem Ziel, Ursachen für die Aggregatentstehung zu finden, wurden im Rahmen dieser Arbeit andere Aktin-interagierende Proteine an späte Endosomen lokalisiert. So führt VAM-Abp34 ebenfalls zur Ausbildung Aktin-haltiger Aggregate während VAM-α-Actinin und VAM-Filamin die Bildung Aktin-freier Aggregate zur Folge haben. Letztere sind hauptsächlich aus den Proteinhybriden und den jeweiligen endogenen Bindungspartnern aufgebaut und ähneln sogenannten Aggresomen. Dennoch führen die Aktin-freien VAM-α-Actinin- und VAM-Filamin-Aggregate zu vergleichbaren physiologischen Defekten in der Zelle wie die Aktin-haltigen VAM-VASP-Aggregate. Der Aktin-Gehalt der VAM-VASP-Aggregate ist auf das VASP-Protein zurückzuführen. Dieses Protein ist fähig, die Elongation von Aktin-Filamenten voranzutreiben und erreicht, ektopisch lokalisiert an Endosomen, Peroxisomen und Lipid Droplets eine Anreicherung von F-Aktin an diesen Organellen. Ein Vergleich der Proteine VASP, Abp34, α-Actinin und Filamin führt zu dem Schluss, dass die Fähigkeit der Proteine, Oligomere bilden zu können, einen relevanten Faktor in der Ausbildung der VAM-Aggregate spielt. Die VAM-Aggregate sind sehr kompakt und stabil. Die Untersuchungen in dieser Arbeit führen zu der Annahme, dass die Aggregate durch die Überlastung der zellulären Proteindegradationsmaschinerie entstehen.

Biologische Funktionsanalyse und Identifizierung neuer Substrate der Methyltransferase Dnmt2

Obwohl die DNA Methyltransferase 2 (Dnmt2) hoch konserviert ist und zu der am weitesten verbreiteten eukaryotischen MTase-Familie gehört, ist ihre biologische Funktion nach wie vor unklar. Nachdem lange Zeit keine DNA Methylierungsaktivität nachgewiesen werden konnte, wurde vor einigen Jahren über geringe Mengen an 5-Methylcytosin (5mC) in Retroelementen der “Dnmt2-only”-Organismen D. melanogaster, D. discoideum und E. histolytica berichtet (Kunert et al. 2003; Fisher et al. 2004; Kuhlmann et al. 2005; Phalke et al. 2009). Als kurze Zeit später robuste Methylierung der tRNAAsp durch humane Dnmt2 gezeigt wurde (Goll et al. 2006), wurde zunächst eine Dualspezifität des Enzyms vorgeschlagen (Jeltsch et al. 2006). Neuere Daten zum 5mC-Status verschiedener „Dnmt2-only“-Organismen bilden Anlass für kontroverse Diskussionen über Ausmaß und Bedeutung der DNA Methyltransferaseaktivität von Dnmt2 (Schaefer et al. 2010a; Krauss et al. 2011). Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung neuer RNA Substrate des Dnmt2-Homologs DnmA aus D. discoideum sowie die biologische Bedeutung der tRNA-Methylierung durch Dnmt2. Wie in anderen Organismen beschrieben, fungiert auch DnmA als tRNAAsp(GUC) MTase in vitro und in vivo. Zusätzlich konnte in vitro tRNAGlu(UUC) als neues Substrat der Dnmt2-Homologe aus D. discoideum und dem Menschen identifiziert werden. In einem Kooperationsprojekt wurde außerdem auch tRNAAsp-Methylierungsaktivität für das Dnmt2-Homolog aus S. pombe (Pmt1) nachgewiesen. Crosslink-RNA-Immunopräzipitationen (RNA-CLIP) mit anschließender Next-Generation-Sequenzierung der mit DnmA assoziierten RNAs zeigen, dass DnmA mit tRNA Fragmenten interagiert, die sich vom Anticodonloop bis in den T-loop erstrecken. Neben der tRNAAsp(GUC) und tRNAGlu(UUC/CUC) sind Fragmente der tRNAGly(GCC) verstärkt angereichert. Inwiefern diese Fragmente eine biologische Funktion haben oder spezifische Degradationsprodukte darstellen, ist noch ungeklärt. Interessanterweise sind von einigen tRNAs wenige Sequenzen von antisense-Fragmenten in den RNA-CLIP Daten zu finden, die etwas kürzer, jedoch exakt komplementär zu den genannten sense-Fragmenten sind. Besonders stark sind diese Fragmente der tRNAGlu(UUC) vertreten. In einem weiteren RNA-CLIP Experiment wurden U-snRNAs, snoRNA und intergenische Sequenzen mit DnmA angereichert. Bei nachfolgenden in vitro Methylierungsstudien konnte ausschließlich die U2-snRNA als potentielles Nicht-tRNA-Substrat der hDnmt2 und DnmA identifiziert werden. Da tRNA Modifikationen im Anticodonloop die Codonerkennung beeinflussen können, wurde ein System etabliert um die Translationseffizienz eines GFP-Reportergens in Wildtyp- und dnmAKO-Zellen zu messen. In D. discoideum wird das Aspartat-Codon GAU ca. zehnmal häufiger genutzt als das GAC Codon, allerdings ist nur eine tRNAAsp(GUC) im Genom der Amöbe kodiert. Aus diesem Grund wurde zusätzlich die Frage adressiert, inwiefern die DnmA-abhängige Methylierung dieser tRNA das „Wobbling“ beeinflusst. Dazu wurde dem Reportergen jeweils eine (GAU)5- und (GAC)5-Leadersequenz vorgeschaltet. Entgegen der Annahme wurde der (GAC)5-Leader in beiden Stämmen etwas effizienter translatiert. Insgesamt zeigte der dnmAKO-Stamm eine leicht erhöhte Translationseffizienz der Reportergene. Vergleichende Analysen zur Aufnahme von Fremd-DNA zeigten signifikant reduzierte Transformationseffizienzen mit einem integrierenden Plasmid in dnmAKO-Zellen. Ein weiterer dnmAKO-Stamm zeigte diesen Effekt jedoch nicht, wobei bei derselben Mutante eine deutlich reduzierte Aufnahme eines extrachromosomalen Plasmids zu verzeichnen war. Untersuchungen zum Einfluss von DnmA auf die Regulation des Retroelements skipper ergaben keinen Zusammenhang zwischen der Generierung kleiner RNAs und der erhöhten Transkription des Retrotransposons in dnmAKO-Zellen (Kuhlmann et al. 2005). Durch Kompensationsversuche sowie Experimente mit einer weiteren dnmAKO-Mutante konnte die Mobilisierung des Retrotransposons nicht eindeutig als DnmA-Funktion eingeordnet werden. In einem weiteren Projekt wurden die Bindung des m5C-bindenden Proteins EhMLBP aus E. histolytica an DNA mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet (Lavi et al. 2006). Neben vermutlich unspezifischen Endbindungsereignissen konnte eine bevorzugte Bindungsstelle des Proteins an LINE DNA (long intersperesed nuclear element) identifiziert werden. Möglicherweise fällt diese mit einem von zwei A/T-reichen Bereichen der LINE DNA zusammen, von denen vermutet wird, dass diese für die Bindung von EhMLBP an DNA von Bedeutung sind. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit die tRNAAsp Methylierungsaktivität als konservierte Dnmt2-Funktion. Darüber hinaus erweitern sie das Substratspektrum der Dnmt2-Methyltransferasen im Bereich der tRNA. Außerdem wird erstmals ein potentielles Nicht-tRNA Substrat vorgeschlagen. Zusätzlich geben neu entdeckte Phänotypen Hinweise auf vielfältige zelluläre Dnmt2-Funktionen.

Elektrochemische und spektroelektrochemische Untersuchungen symmetrischer und unsymmetrischer Spiroverbindungen

In dieser Arbeit wurden elektronische Eigenschaften der sogenannten Spiroverbin-dungen untersucht, die aus zwei durch ein gemeinsames Spiro-Kohlenstoffatom miteinander verbundenen π-Systemen bestehen. Solche Untersuchungen sind notwendig, um die gezielte Synthese organischer Materialien mit bestimmten optischen, elektrischen, photoelektrischen oder magnetischen Eigenschaften zu ermöglichen. Im einzelnen wurden mit Hilfe der Cyclovoltammetrie, Square-Wave-Voltammetrie und Spektroelektrochemie eine Reihe homologer Spiro-p-oligophenyle, sowie symmetrisch und unsymmetrisch substituierte Spiroverbindungen und Spirocyclopentadithiophene unter-sucht. Dabei ergaben sich folgende Einflussfaktoren: Kettenlänge, verschiedene Substituenten (Trimethylsilyl, tert-Butyl, Fluor, Pyridyl, perfluoriertes Pyridyl, Dimethylamino-Gruppe), verschiedene Positionen der Substitution, Lage der Spiroverknüpfung und Art des π-Systems im Spirokern. Die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Verbindungen variieren systema-tisch mit der Kettenlänge. So vermindert sich der Betrag der Redoxpotentiale der Spiroverbin-dungen mit Zunahme der Kettenlänge, während die Anzahl der übertragenen Elektronen mit zunehmender Kettenlänge wächst. Die Absorption der neutralen und geladenen Spezies ver-schiebt sich mit steigender Kettenlänge bathochrom. Der Substituenteneinfluss auf die Poten-tiallage hängt davon ab, welcher der Effekte +I, -I, +M, -M überwiegt; dabei spielt auch die Position der Substitution eine Rolle. Weiter lässt sich der Einfluss der Lage der Spiroverknüpfung auf die Redoxpotentiale mit der verschiedenen Coulomb-Abstoßung innerhalb oder/und zwischen Phenylketten bei symmetrisch und unsymmetrisch verknüpften Spiroverbindungen begründen. Schließlich wurden die Redoxmechanismen der untersuchten Spiroverbindungen er-mittelt. Die meisten Verbindungen werden zum Bis(radikalion) reduziert bzw. oxidiert (Me-chanismus A). Nur wenige Verbindungen werden nach Mechanismus B reduziert, in dem das Elektron unter Bildung eines Dianions in die schon einfach reduzierte Molekülhälfte über-geht. Die Unterschiede der Redoxpotentiale, der Lage der Absorption, des Reduktionsme-chanismus der Verbindungen mit unterschiedlichen Spirokernen (Spirobifluoren und Spiro-cyclopentadithiophen) konnten mit den unterschiedlichen elektronischen Strukturen von Phe-nyl- und Thiophenring (aromatisches und heteroaromatisches π System) erklärt werden.