Molekulare Mechanismen der cAMP-vermittelten Signaltransduktion

Zusammenfassung - Der sekundäre Botenstoff zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) reguliert viele fundamentale zelluläre Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung, Energiemetabolismus und Genexpression. In eukaryotischen Zellen vermittelt die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) die meisten biologischen Funktionen von cAMP. Die PKA besteht aus jeweils zwei regulatorischen (R) und katalytischen (C) Untereinheiten, die zusammen einen inaktiven Holoenzymkomplex bilden, der durch cAMP aktiviert wird. In dieser Arbeit wurde die Bindung von cAMP und cAMP-Analoga an die R Untereinheit der PKA unter funktionellen und mechanistischen Aspekten untersucht. Eine neue, auf Fluoreszenzpolarisation basierende Methode wurde entwickelt, um die Affinität von cAMP-Analoga in einem homogenen Ansatz schnell, reproduzierbar und nicht radioaktiv zu quantifizieren. Zur detaillierten Untersuchung des Bindungsmechanismus von cAMP und cAMP Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden thermodynamische Studien im direkten Vergleich mittels isothermaler Titrationskalorimetrie und kinetischen Analysen (Oberflächenplasmonresonanz, SPR) durchgeführt, wodurch thermodynamische Signaturen für das Bindungsverhalten der Nukleotide an die R Untereinheit der PKA erhalten werden konnten. Durch Interaktionsstudien an mutagenisierten R Untereinheiten wurde der intramolekulare Aktivierungsmechanismus der PKA in Bezug auf cAMP-Bindung, Holoenzymkomplex-Formierung und -Aktivierung untersucht. Die dabei erhaltenen Ergebnisse wurden mit zwei Modellen der cAMP-induzierten Konformationsänderung verglichen, und ein Aktivierungsmechanismus postuliert, der auf konservierten hydrophoben Aminosäuren basiert. Für in vivo Untersuchungen wurden zusammen mit Kooperationspartnern membranpermeable, fluoreszierende cAMP Analoga entwickelt, die Einblicke in die Dynamik der cAMP-Verteilung in Zellen erlauben. Neu entwickelte, Festphasen gebundene cAMP-Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden in einem (sub)proteomischen Ansatz dazu genutzt, natürliche Komplexe der R Untereinheit und des PKA-Holoenzyms aus Zelllysaten zu isolieren und zu identifizieren. Diese Untersuchungen fließen letztlich in einem systembiologischen Ansatz zusammen, der neue Einblicke in die vielschichtigen cAMP gesteuerten Netzwerke und Regulationsprozesse erlaubt.

Entwurf, Implementierung und Evaluation eines modularen Agentensystems zur energieoptimierten Steuerung eines logistischen Automatisierungsprozesses

In dieser Arbeit wird ein modulares Agentensystem entworfen und auf einer marktüblichen PC-basierten SPS-Steuerung implementiert, welches in der Lage ist, den logistischen Anlagenteil eines Hybriden Prozessmodells abhängig von einem dynamischen Energiepreis zu steuern. Dies wird durch die Rekonfiguration und energetische Optimierung der Funktionen einzelner Module auf Grundlage eines Umweltmodells durch Softwareagenten erreicht. Dieses Umweltmodell wird zunächst in verschiedenen Diagrammen der objektorientierten Modellierungssprachen UML und SysML modelliert. Hierfür werden im Rahmen dieser Arbeit dazu notwendige Erweiterungen des Timing-Diagramms der UML entworfen. Das Agentensystem wird mit der Methode Gaia entworfen. Durch das in dieser Methode enthaltene Rollenkonzept werden Möglichkeiten zur Wiederverwendung von Teilen des Entwurfs auch innerhalb von anderen Arbeiten ermöglicht. Die Echtzeitanforderungen, welche sich an die Steuerungssoftware des logistischen Prozesses ergeben, können bei dem Entwurf durch Gaia modelliert werden. Das im Vorgehen nach Gaia enthaltene Bekanntschaftsmodell wird um die Darstellung weiterer wichtiger Informationen erweitert.

Modellfehler und Greensche Funktionen in der Statik

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Fehlern, die bei der Berechnung von Tragstrukturen auftreten können, dem Diskretisierungs- und dem Modellfehler. Ein zentrales Werkzeug für die Betrachtung des lokalen Fehlers in einer FE-Berechnung sind die Greenschen Funktionen, die auch in anderen Bereichen der Statik, wie man zeigen kann, eine tragende Rolle spielen. Um den richtigen Einsatz der Greenschen Funktion mit der FE-Technik sicherzustellen, werden deren Eigenschaften und die konsistente Generierung aufgezeigt. Mit dem vorgestellten Verfahren, der Lagrange-Methode, wird es möglich auch für nichtlineare Probleme eine Greensche Funktion zu ermitteln. Eine logische Konsequenz aus diesen Betrachtungen ist die Verbesserung der Einflussfunktion durch Verwendung von Grundlösungen. Die Greensche Funktion wird dabei in die Grundlösung und einen regulären Anteil, welcher mittels FE-Technik bestimmt wird, aufgespalten. Mit dieser Methode, hier angewandt auf die Kirchhoff-Platte, erhält man deutlich genauere Ergebnisse als mit der FE-Methode bei einem vergleichbaren Rechenaufwand, wie die numerischen Untersuchungen zeigen. Die Lagrange-Methode bietet einen generellen Zugang zur zweiten Fehlerart, dem Modellfehler, und kann für lineare und nichtlineare Probleme angewandt werden. Auch hierbei übernimmt die Greensche Funktion wieder eine tragende Rolle, um die Auswirkungen von Parameteränderungen auf ausgewählte Zielgrößen betrachten zu können.

Biomolecular interaction analysis in functional proteomics

In der funktionellen Proteomforschung werden bekannte Interaktionen eines zellulären Netzwerkes qualitativ untersucht. Diese Veröffentlichung beschreibt verschiedene biomolekulare Interaktionsanalysen, anhand des Modellsystems PKA, die zur detaillierten Charakterisierung von Bindungen herangezogen werden können. Neben den Gleichgewichtsbindungsdaten (generiert aus AlphaScreen, FP, SPR und ITC Messungen) wurden aus ITC Messungen die thermodynamischen Parameter G, H und S ermittelt. Durch Anwendung der BRET2 (Bioluminescence resonance energy transfer) Methode konnten in lebenden Zellen Aussagen über Bindungsereignisse und deren Lokalisation getroffen werden.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

A Modeling Analysis of Changing Global Land Use as affected by Changing Demands for Wood Products

The 21st century has brought new challenges for forest management at a time when globalization in world trade is increasing and global climate change is becoming increasingly apparent. In addition to various goods and services like food, feed, timber or biofuels being provided to humans, forest ecosystems are a large store of terrestrial carbon and account for a major part of the carbon exchange between the atmosphere and the land surface. Depending on the stage of the ecosystems and/or management regimes, forests can be either sinks, or sources of carbon. At the global scale, rapid economic development and a growing world population have raised much concern over the use of natural resources, especially forest resources. The challenging question is how can the global demands for forest commodities be satisfied in an increasingly globalised economy, and where could they potentially be produced? For this purpose, wood demand estimates need to be integrated in a framework, which is able to adequately handle the competition for land between major land-use options such as residential land or agricultural land. This thesis is organised in accordance with the requirements to integrate the simulation of forest changes based on wood extraction in an existing framework for global land-use modelling called LandSHIFT. Accordingly, the following neuralgic points for research have been identified: (1) a review of existing global-scale economic forest sector models (2) simulation of global wood production under selected scenarios (3) simulation of global vegetation carbon yields and (4) the implementation of a land-use allocation procedure to simulate the impact of wood extraction on forest land-cover. Modelling the spatial dynamics of forests on the global scale requires two important inputs: (1) simulated long-term wood demand data to determine future roundwood harvests in each country and (2) the changes in the spatial distribution of woody biomass stocks to determine how much of the resource is available to satisfy the simulated wood demands. First, three global timber market models are reviewed and compared in order to select a suitable economic model to generate wood demand scenario data for the forest sector in LandSHIFT. The comparison indicates that the ‘Global Forest Products Model’ (GFPM) is most suitable for obtaining projections on future roundwood harvests for further study with the LandSHIFT forest sector. Accordingly, the GFPM is adapted and applied to simulate wood demands for the global forestry sector conditional on selected scenarios from the Millennium Ecosystem Assessment and the Global Environmental Outlook until 2050. Secondly, the Lund-Potsdam-Jena (LPJ) dynamic global vegetation model is utilized to simulate the change in potential vegetation carbon stocks for the forested locations in LandSHIFT. The LPJ data is used in collaboration with spatially explicit forest inventory data on aboveground biomass to allocate the demands for raw forest products and identify locations of deforestation. Using the previous results as an input, a methodology to simulate the spatial dynamics of forests based on wood extraction is developed within the LandSHIFT framework. The land-use allocation procedure specified in the module translates the country level demands for forest products into woody biomass requirements for forest areas, and allocates these on a five arc minute grid. In a first version, the model assumes only actual conditions through the entire study period and does not explicitly address forest age structure. Although the module is in a very preliminary stage of development, it already captures the effects of important drivers of land-use change like cropland and urban expansion. As a first plausibility test, the module performance is tested under three forest management scenarios. The module succeeds in responding to changing inputs in an expected and consistent manner. The entire methodology is applied in an exemplary scenario analysis for India. A couple of future research priorities need to be addressed, particularly the incorporation of plantation establishments; issue of age structure dynamics; as well as the implementation of a new technology change factor in the GFPM which can allow the specification of substituting raw wood products (especially fuelwood) by other non-wood products.

Stochastische Simulation von Zufallsexperimenten mit Fathom

In der Mathematikdidaktik gibt es die weit verbreitete Auffassung, durch die Verwendung von Simulationen Lernprozesse zu unterstützen. Dies hat mich im Rahmen meiner Dissertation dazu bewogen, erstens eine Werkzeuganalyse des Simulationspotentials der Software Fathom durchzuführen und zweitens exemplarische Analysen dazu, wie Lernende mit der Software arbeiten. Bei der Werkzeuganalyse standen vor allem folgende zwei Fragen im Mittelpunkt: Was bietet die Software an Simulationspotential? Wie gut und leicht lassen sich Zufallsexperimente in Fathom realisieren? Dieses Wissen ist für die praktische Anwendung der Software und die diagnostische Kompetenz der Lehrkräfte, die Schüler bei der Arbeit mit der Software unterstützen wollen, essentiell. Mit dieser Werkzeuganalyse wurde ein allgemeineres Instrument entwickelt, mit dem man das Simulationspotential auch anderer Werkzeugsoftware wie Excel, Tinkerplots oder den TI-Nspire systematisch analysieren könnte. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse einer Fallstudie zur Kompetenz von Studierenden beim Bearbeiten von stochastischen Simulations- und Modellierungsproblemen vorgestellt. Die insgesamt aufwendige Analyse von Mikroprozessen macht sehr viel relevante und wichtige Details im Umgang von Studierenden mit Simulationsaufgaben erkennbar. Auch ist als Ergebnis der Studie nicht nur einfach ein differenziertes Bild der Kompetenzen von Studierenden anzusehen. Vielmehr liegt ein wesentlicher Beitrag auch in der Konzeptualisierung unterschiedlicher Kompetenzen und ihrer Wechselwirkung, wie sie bei der Bearbeitung von mathematischen Aufgaben mit dem Computer auftreten.

Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien mit Kindern und deren Hintergründe

Im Rahmen der Arbeit wird den Fragen nachgegangen, inwiefern der Konsum von Öko-Lebensmitteln in Familien mit Kindern im zeitlichen Verlauf Veränderungen unterliegt und worin Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien mit Kindern begründet sind. Aus den hierzu gewonnenen Erkenntnissen werden Schlussfolgerungen für die Konsumentenforschung und das Marketing von Öko-Produkten gezogen. Theoretische Grundlage stellen der Familienzyklus sowie Forschungsergebnisse zum Konsumentenverhalten in Familien und zum Konsum von Öko-Lebensmitteln in Familien dar. Für die empirische Bearbeitung der Forschungsfragen wurde ein qualitatives Forschungsdesign gewählt. Der Forschungsprozess gliederte sich in drei Wellen der Datenerhebung und -auswertung. Im Rahmen dessen wurden Eltern mithilfe problemzentrierter Interviews zur Entwicklung des Öko-Konsums in ihren Familien befragt. Die Interviews wurden computergestützt und in Anlehnung an die Kodierprozeduren offenes und axiales Kodieren der Grounded Theory ausgewertet. Ergebnis der Datenanalyse sind drei Zusammenhangsmodelle, die zu einer Erklärung von Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum von Familien beitragen. Veränderungen können demnach erstens in einer Erhöhung der Konsumintensität während einer Schwangerschaft bestehen. Als Bedingungen hierfür konnten ein verstärktes Bewusstsein für Öko-Produkte, die körperliche Konstitution der Mutter sowie die Unterstützung durch die soziale Umwelt identifiziert werden. Weitere Bedingungen stellen Lebensmittelskandale sowie eine gute Verfügbarkeit von Öko-Produkten dar. Handlungsstrategien der Eltern beziehen sich auf das Wohlergehen des noch ungeborenen Kindes (Förderung der Gesundheit, Erhalten der zukünftigen Lebenswelt, Orientierung für die spätere Ernährung des Kindes) sowie auf das Wohlergehen der werdenden Mutter (Förderung der Gesundheit, Förderung des Wohlbefindens, Umgang mit schwangerschaftsbedingten Beschwerden). Zweitens können Veränderungen des Öko-Lebensmittelkonsums in einer Erhöhung der Konsumintensität ab dem Zeitpunkt der Umstellung der Ernährung eines Kindes auf eine Beikosternährung bestehen. Bedingungen hierfür sind eine verstärkte Beachtung von Öko-Produkten, die körperliche Konstitution des Kindes, die Abstimmung von Familien- und Baby-Kost, der Austausch mit und die Unterstützung durch die soziale Umwelt sowie der Wunsch von Eltern, einen Beitrag zum Öko-Landbau zu liefern. Bedingungen können außerdem eine gute Verfügbarkeit von Öko-Produkten sowie der Einfluss von Medien darstellen. Handlungsstrategien der Eltern beziehen sich auf die Ernährung des Kindes (Förderung der Gesundheit, Förderung der Geschmackssozialisation) und auf die Ernährung der restlichen Familie (effiziente Beschaffung und Verwendung von Lebensmitteln, Förderung des Wohlbefindens der Eltern). Drittens können Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien in einem Rückgang der Konsumintensität während des Übergangs von Kindern ins Jugendalter bestehen. Bedingungen hierfür bestehen in der Konsequenz, mit der Eltern konventionellen Lebensmittelwünschen ihrer Kinder nachgeben, in der Beurteilung von Lebensmitteln durch die Eltern sowie in der Intensität, mit der Kinder ihre Wünsche einfordern. Handlungsstrategien der Eltern sind darauf ausgerichtet Kindern einen Wunsch zu erfüllen, sich gegenüber diesen liberal zu verhalten, Konflikte mit Kindern zu vermeiden oder diese ihre eigenen Erfahrungen sammeln zu lassen. Die Ergebnisse tragen zu einer theoretischen Fundierung des Zusammenhangs zwischen Familienzyklus und dem Öko-Lebensmittelkonsum in Familien bei und zeigen, dass dieser ein sinnvolles theoretisches Bezugssystem für Veränderungen der Konsumintensität von Öko-Produkten darstellt. Für die Konsumentenforschung tragen die Ergebnisse zu einem differenzierten Verständnis von Ober- und Untergrenzen von Familienzyklusstadien bei. Es zeigt sich weiterhin, dass Veränderungen des Öko-Konsums unter anderem unter dem Einfluss der sozialen Umwelt stehen. Im Hinblick auf das Marketing kann insbesondere geschlussfolgert werden, dass bei bestimmten Produktkategorien die Bedürfnisse jugendlicher Zielgruppen verstärkt berücksichtigt werden sollten. Zur Bindung junger Familien ist darauf hinzuwirken, einen Mehraufwand bei der Beschaffung von Öko-Produkten auszuschließen. Für die Ansprache der Zielgruppe Schwangere erscheinen Kommunikationsbotschaften geeignet, die sich auf das Wohlbefinden von Kind und Mutter und auf Nachhaltigkeitsaspekte beziehen. Eltern mit Kindern im Übergang zu einer Beikosternährung könnten gezielt durch Kommunikationsbotschaften angesprochen werden, die in Zusammenhang mit der Förderung der Gesundheit und der Geschmacksozialisation von Kindern stehen.

Familiale Bewegungssozialisation

Familiale Bewegungssozialisation – Zum Einfluss der Herkunftsfamilie auf die Bewegungssozialisation von Grundschulkindern. Die zentrale Fragestellung der Schrift ist, welchen Einfluss die soziale Herkunft auf die Bewegungssozialisation und Bewegungsentwicklung von Kindern im Grundschulalter hat. Die Auswirkungen sozialer Ungleichheit auf die Bewegungssozialisation, insbesondere die motorische Entwicklung, wurden in der Sportwissenschaft noch unzureichend untersucht. Der Arbeit liegt die Sozialisationstheorie von Witte (1994) zugrunde; mit ihrer Hilfe wird versucht die motorische Entwicklung theoriegeleitet zu erklären. Dafür werden Merkmale der Bewegungssozialisation und der motorischen Entwicklung in das theoretische Rahmenkonzept von Witte (1994) eingesetzt. Zu Beginn (Kapitel 1) erklärt die Arbeit den Begriff der sozialen Herkunft. Es werden der soziale Status, die Familienform und der Migrationshintergrund als Bestandteile der sozialen Herkunft definiert. Im weiteren Verlauf (Kapitel 2) wird die Sozialisationsinstanz Familie und die verschiedenen Familienformen vor dem Hintergrund sozialer Ungleichheit dargelegt. Das dritte Kapitel widmet sich dem sozialisationstheoretischen Konzept. Es werden die Sozialisationstheorie von Hurrelmann, die Körper- und Bewegungskarriere von Baur und das theoretische Rahmenkonzept der Sozialisation von Witte erklärt. Kapitel 4 beschreibt den Forschungsstand und Kapitel 5 stellt die Modellbildung und die Herleitung der Hypothesen dar. Die empirische Untersuchung fand an ausgewählten Grundschulen der Stadt Kassel statt. Insgesamt wurden 251 Kinder im Alter von 7-10 Jahren mit dem AST 6-11 untersucht und deren Eltern mit einem eigens entwickelten Fragebogen befragt. Die Daten wurden mit Hilfe von multivariaten Verfahren in Beziehung zueinander gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Grundschulkinder hinsichtlich ihrer motorischen Entwicklung nicht in Abhängigkeit der sozialen Herkunft unterscheiden. Jedoch ist das Sportklima der Familien sehr stark abhängig von der sozialen Herkunft. Es wird deutlich, dass Kinder aus sozial benachteiligten Familien, aus Ein-Eltern-Familien und mit Migrationshintergrund schlechtere Möglichkeiten haben sich in ihrer Bewegungssozialisation zu entfalten. Die Prüfung des Sozialisationsmodells zeigt, neben der guten Operationalisierbarkeit des Modells, dass die Modellvariable „Orientierung“ (Orientierung der Familie hinsichtlich der Bedeutung von Bewegung und Sport) den größten Einfluss auf die Bewegungssozialisation von Kindern hat.

Charakterisierung der mikrobiellen Population und Untersuchungen zum Quorum Sensing in der Rhizosphäre vom Weidelgras (Lolium perenne) auf einer Rückstandshalde der Kaliindustrie

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Dynamik und die Kommunikation innerhalb der mikrobiellen Population der Rhizosphäre von Deutschem Weidelgras (Lolium perenne) untersucht, welches auf einer teilweise rekultivierten Rückstandshalde der Kaliindustrie wuchs. Um die niederschlagsbedingte Auswaschung von Salzen zu reduzieren, wird die Rückstandshalde des Kaliwerks Sigmundshall (in Bokeloh bei Hannover) schrittweise mit dem technogenen Abdecksubstrat REKAL/SAV ummantelt. Dieses weist eine hohe Standfestigkeit und Wasserspeicherkapazität auf und kann zudem begrünt werden, wofür als Pionierpflanze Lolium perenne dient. Durch diese Rekultivierung wird Niederschlag besser gespeichert und über Evapotranspiration wieder in die Luft abgegeben, was letztendlich die Bildung von Salzwasser vermindert. Da das Abdecksubstrat neben alkalischem pH-Wert auch teilweise hohe Schwermetallkonzentrationen aufweist, sollte in der vorliegenden Arbeit erstmals die mikrobielle Rhizosphären-Gemeinschaft in diesem extremen Habitat mittels einer kulturunabhängigen Methode erforscht werden. Zudem wurden erste Untersuchungen angestellt, ob im Substrat die zelldichte-abhängige bakterielle Kommunikation (Quorum Sensing) nachgewiesen werden kann. Mittels extrahierter Gesamt-DNA wurde anhand der 16S rDNA die Analyse des „Terminalen Restriktonsfragmentlängenpolymorphismus“ (TRFLP) verwendet, um die komplexe bakterielle Rhizosphären-Gemeinschaft unter zeitlichen und lokalen Aspekten zu vergleichen. Auftretende Veränderungen bei den bakteriellen Populationen der jeweiligen Proben wurden durch eine Zu- oder Abnahme der auch als Ribotypen bezeichneten terminalen Restriktionsfragmente (TRF) erfasst. Hierbei zeigten sich am Südhang der Halde während der Sommermonate der Jahre 2008 und 2009 zwar Schwankungen in den bakteriellen Gemeinschaftsprofilen, es lagen jedoch keine eindeutigen Dynamiken vor. Im Vergleich zum Südhang der Halde wies der Nordhang eine höhere Ribotyp-Diversität auf, was mit der fortgeschritteneren Rekultivierung dieses Haldenabschnitts zusammenhängen könnte. Zusätzlich wurden Bakterien aus der Rhizosphäre von Lolium perenne isoliert und mithilfe der Biosensoren Agrobacterium tumefaciens A136 pCF218 pCF372 und Chromobacterium violaceum CV026 auf die Produktion von N-Acylhomoserinlactonen (AHLs) überprüft. Diese AHLs werden von Gram-negativen Mikroorganismen als Signalmoleküle verwendet, um ihre Genexpression zelldichteabhängig zu kontrollieren. Von den 47 getesteten Gram-negativen Rhizosphärenisolaten konnten nur bei einem reproduzierbar AHL-Moleküle mithilfe des Reporterstamms A. tumefaciens nachgewiesen werden. Der AHL-Produzent wurde als Pseudomonas fluorescens identifiziert. Mittels dünnschichtchromatographischer Analysen konnten die extrahierten bakteriellen AHL-Moleküle den N-Octanoyl-L-homoserinlactonen zugeordnet werden.

Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.