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.

Analysis of applications and of conceptions for an application-oriented mathematics instruction

In connection with the (revived) demand for considering applications in the teaching of mathematics, various schemata or lists of criteria have been developed since the end of the sixties, which set up requirements about closeness to the real world or about the type of mathematics being used, and which have made it possible to analyze the available applications in their light. After having stated the problem (in section 1), we present (in section 2) a sketch of some of the best known of these and of some earlier schemata, although we are not aiming for a complete picture. Then (in section 3) we distinguish among different dimensions.in the analysis of applications. With this as a basis, we develop (in section 4) our own suggestion for categorizing types of applications and conceptions for an application-oriented mathematics instruction. Then (in section 5) we illustrate our schemata by some examples of performed evaluations. Finally (in section 6), we present some preliminary first results of the analysis of teaching conceptions.

Ecosystem services and adaptation for agriculture and food security: analysis of two decades (1991–2011) of financing by the Global Environment Facility

Investing in global environmental and adaptation benefits in the context of agriculture and food security initiatives can play an important role in promoting sustainable intensification. This is a priority for the Global Environment Facility (GEF), created in 1992 with a mandate to serve as financial mechanism of several multilateral environmental agreements. To demonstrate the nature and extent of GEF financing, we conducted an assessment of the entire portfolio over a period of two decades (1991–2011) to identify projects with direct links to agriculture and food security. A cohort of 192 projects and programs were identified and used as a basis for analyzing trends in GEF financing. The projects and programs together accounted for a total GEF financing of US$1,086.8 million, and attracted an additional US$6,343.5 million from other sources. The value-added of GEF financing for ecosystem services and resilience in production systems was demonstrated through a diversity of interventions in the projects and programs that utilized US$810.6 million of the total financing. The interventions fall into the following four main categories in accordance with priorities of the GEF: sustainable land management (US$179.3 million), management of agrobiodiversity (US$113.4 million), sustainable fisheries and water resource management (US$379.8 million), and climate change adaptation (US$138.1 million). By aligning GEF priorities with global aspirations for sustainable intensification of production systems, the study shows that it is possible to help developing countries tackle food insecurity while generating global environmental benefits for a healthy and resilient planet.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Methodische Grundlagen zur Bewahrung und Wiederherstellung großräumig funktionsfähiger ökologischer Beziehungen in der räumlichen Umweltplanung

Mit der Verwirklichung ,Ökologischer Netzwerke‘ werden Hoffnungen zum Stopp des Verlustes der biologischen Vielfalt verknüpft. Sowohl auf gesamteuropäischer Ebene (Pan-European Ecological Network - PEEN) als auch in den einzelnen Staaten entstehen Pläne zum Aufbau von Verbundsystemen. Im föderalen Deutschland werden kleinmaßstäbliche Biotopverbundplanungen auf Landesebene aufgestellt; zum nationalen Biotopverbund bestehen erste Konzepte. Die vorliegende Arbeit ist auf diese überörtlichen, strategisch vorbereitenden Planungsebenen ausgerichtet. Ziele des Verbunds sind der Erhalt von Populationen insbesondere der gefährdeten Arten sowie die Ermöglichung von Ausbreitung und Wanderung. Aufgrund fehlender Datengrundlagen zu den Arten und Populationen ist es nicht ohne weiteres möglich, die Konzepte und Modelle der Populationsökologie in die überörtlichen Planungsebenen zu übertragen. Gemäß der o.g. Zielstellungen sollte sich aber die Planung von Verbundsystemen an den Ansprüchen der auf Verbund angewiesenen Arten orientieren. Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer praktikablen GIS-gestützten Planungshilfe zur größtmöglichen Integration ökologischen Wissens unter der Bedingung eingeschränkter Informationsverfügbarkeit. Als Grundlagen dazu werden in Übersichtsform zunächst die globalen, europäisch-internationalen und nationalen Rahmenbedingungen und Anforderungen bezüglich des Aufbaus von Verbundsystemen zusammengestellt. Hier sind die Strategien zum PEEN hervorzuheben, die eine Integration ökologischer Inhalte insbesondere durch die Berücksichtigung räumlich-funktionaler Beziehungen fordern. Eine umfassende Analyse der landesweiten Biotopverbundplanungen der BRD zeigte die teilweise erheblichen Unterschiede zwischen den Länderplanungen auf, die es aktuell nicht ermöglichen, ein schlüssiges nationales Konzept zusammenzufügen. Nicht alle Länder haben landesweite Biotopverbundplanungen und Landeskonzepte, bei denen dem geplanten Verbund die Ansprüche von Arten zugrunde gelegt werden, gibt es nur ansatzweise. Weiterhin wurde eine zielgerichtete Eignungsprüfung bestehender GIS-basierter Modelle und Konzepte zum Verbund unter Berücksichtigung der regelmäßig in Deutschland verfügbaren Datengrundlagen durchgeführt. Da keine integrativen regelorientierten Ansätze vorhanden waren, wurde der vektorbasierte Algorithmus HABITAT-NET entwickelt. Er arbeitet mit ,Anspruchstypen‘ hinsichtlich des Habitatverbunds, die stellvertretend für unterschiedliche ökologische Gruppen von (Ziel-) Arten mit terrestrischer Ausbreitung stehen. Kombiniert wird die Fähigkeit zur Ausbreitung mit einer Grobtypisierung der Biotopbindung. Die wichtigsten Grundlagendaten bilden die jeweiligen (potenziellen) Habitate von Arten eines Anspruchstyps sowie die umgebende Landnutzung. Bei der Bildung von ,Lebensraumnetzwerken‘ (Teil I) werden gestufte ,Funktions- und Verbindungsräume‘ generiert, die zu einem räumlichen System verknüpft sind. Anschließend kann die aktuelle Zerschneidung der Netzwerke durch Verkehrstrassen aufgezeigt werden, um darauf aufbauend prioritäre Abschnitte zur Wiedervernetzung zu ermitteln (Teil II). Begleitend wird das Konzept der unzerschnittenen Funktionsräume (UFR) entworfen, mit dem die Indikation von Habitatzerschneidung auf Landschaftsebene möglich ist. Diskutiert werden schließlich die Eignung der Ergebnisse als kleinmaßstäblicher Zielrahmen, Tests zur Validierung, Vergleiche mit Verbundplanungen und verschiedene Setzungen im GIS-Algorithmus. Erläuterungen zu den Einsatzmöglichkeiten erfolgen beispielsweise für die Bereiche Biotopverbund- und Landschaftsplanung, Raumordnung, Strategische Umweltprüfung, Verkehrswegeplanung, Unterstützung des Konzeptes der Lebensraumkorridore, Kohärenz im Schutzgebietssystem NATURA 2000 und Aufbau von Umweltinformationssystemen. Schließlich wird ein Rück- und Ausblick mit der Formulierung des weiteren Forschungsbedarfs verknüpft.

Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------

Statistical Analysis of Diabetes Mellitus

Diabetes mellitus is a disease where the glucosis-content of the blood does not automatically decrease to a ”normal” value between 70 mg/dl and 120 mg/dl (3,89 mmol/l and 6,67 mmol/l) between perhaps one hour (or two hours) after eating. Several instruments can be used to arrive at a relative low increase of the glucosis-content. Besides drugs (oral antidiabetica, insulin) the blood-sugar content can mainly be influenced by (i) eating, i.e., consumption of the right amount of food at the right time (ii) physical training (walking, cycling, swimming). In a recent paper the author has performed a regression analysis on the influence of eating during the night. The result was that one ”bread-unit” (12g carbon-hydrats) increases the blood-sugar by about 50 mg/dl, while one hour after eating the blood-sugar decreases by about 10 mg/dl per hour. By applying this result-assuming its correctness - it is easy to eat the right amount during the night and to arrive at a fastening blood-sugar (glucosis-content) in the morning of about 100 mg/dl (5,56 mmol/l). In this paper we try to incorporate some physical exercise into the model.

Semi-algebraic methods for symbolic analysis of complex reaction networks

The identification of chemical mechanism that can exhibit oscillatory phenomena in reaction networks are currently of intense interest. In particular, the parametric question of the existence of Hopf bifurcations has gained increasing popularity due to its relation to the oscillatory behavior around the fixed points. However, the detection of oscillations in high-dimensional systems and systems with constraints by the available symbolic methods has proven to be difficult. The development of new efficient methods are therefore required to tackle the complexity caused by the high-dimensionality and non-linearity of these systems. In this thesis, we mainly present efficient algorithmic methods to detect Hopf bifurcation fixed points in (bio)-chemical reaction networks with symbolic rate constants, thereby yielding information about their oscillatory behavior of the networks. The methods use the representations of the systems on convex coordinates that arise from stoichiometric network analysis. One of the methods called HoCoQ reduces the problem of determining the existence of Hopf bifurcation fixed points to a first-order formula over the ordered field of the reals that can then be solved using computational-logic packages. The second method called HoCaT uses ideas from tropical geometry to formulate a more efficient method that is incomplete in theory but worked very well for the attempted high-dimensional models involving more than 20 chemical species. The instability of reaction networks may lead to the oscillatory behaviour. Therefore, we investigate some criterions for their stability using convex coordinates and quantifier elimination techniques. We also study Muldowney's extension of the classical Bendixson-Dulac criterion for excluding periodic orbits to higher dimensions for polynomial vector fields and we discuss the use of simple conservation constraints and the use of parametric constraints for describing simple convex polytopes on which periodic orbits can be excluded by Muldowney's criteria. All developed algorithms have been integrated into a common software framework called PoCaB (platform to explore bio- chemical reaction networks by algebraic methods) allowing for automated computation workflows from the problem descriptions. PoCaB also contains a database for the algebraic entities computed from the models of chemical reaction networks.

Analysis of second messengers in peripheral and central circadian pacemakers

In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die sekundären Botenstoffe cAMP, cGMP und IP3 in der olfaktorischen Signaltransduktionskaskade bei Manduca sexta involviert sind. Während cGMP Perfusionen in die Antenne die Pheromonwahrnehmung tageszeitabhängig adaptierten, führten cAMP Perfusionen zu einer tageszeitabhängigen Sensitisierung, ähnlicher der von Octopamin (OA). Daher wurde hypothetisiert, dass eine tageszeitabhängige Oszillation antennaler OA Level sowie der intrazelluläre Kalziumkonzentration in einer Schwankung von sekundären Botenstoffen resultieren könnte. Diese Hypothese wurde mittels biochemischen Nachweißverfahren in der Antenne von M. sexta und Rhyparobia maderae überprüft. Tatsächlich konnten in der Antenne des Tabakschwärmers tageszeitabhängige Unterschiede in der OA-, cAMP- und IP3-, aber nicht in der cGMP Konzentration, nachgewiesen werden. Während die cAMP- und OA Oszillationen einander sehr ähnelten und die Maxima in der Paarungsphase aufzeigten, korrelierte der IP3 Verlauf sehr stark mit dem Flug- bzw. Fressverhalten. Diese Korrelationen konnten auch in der Madeira Schabe beobachtet werden, in der darüber hinaus gezeigt werden konnte, dass antennale cAMP- und IP3 Level von dem circadianen Uhrwerk gesteuert werden. Zudem wurde herausgefunden, dass OA die cAMP- und teilweise auch die IP3- Spiegel reguliert. Demgegenüber beeinflusste Kalzium die Konzentration aller untersuchten sekundären Botenstoffe. Daher wird angenommen, dass die intrazelluläre Kalziumkonzentration aber auch der antennale OA Level kritische Faktoren bei der Regelung der olfaktorischen Sensitivität sind. Da Oszillationen von sekundären Botenstoffen in mutmaßlichen, peripheren Schrittmacher nachgewiesen wurden, wurde untersucht, ob sie auch im circadianen Schrittmacher der Madeira Schabe oszillieren und ob das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), ein entscheidender Kopplungsfaktor des Uhrwerks in Insekten, diese Rhythmen generieren könnte. Es konnte gezeigt werden, dass PDF die cAMP Synthese steigert. Darüber hinaus wurden bimodale cAMP Oszillationen unter licht-dunkel Bedingungen beobachtet, welche unter konstanten Umweltbedingungen verblieben. Daher wird angenommen, dass PDF Freisetzung zelluläres cAMP erhöht über das das circadiane Uhrwerk synchronisiert wird.

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Circadiane Schrittmacher koordinieren die täglichen Rhythmen in Physiologie und Verhalten in lebenden Organismen. Die Madeira Schabe Rhyparobia maderae (Synonym: Leucophaea maderae) ist ein gut etabliertes Modell, um die neuronalen Mechanismen der circadianen Rhythmen bei Insekten zu studieren. Die akzessorische Medulla (AME) in den optischen Loben des Gehirns wurde als das circadiane Schrittmacherzentrum der Madeira Schabe identifiziert, das circadiane Rhythmen in der Laufaktivität steuert. Über die Neurotransmitter der Eingangswege in das circadiane System der Madeira Schabe ist noch nicht viel bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, mögliche Eingangssignale in die innere Uhr der Madeira Schabe zu bestimmen. An primären Zellkulturen von AME-Neuronen wurden Calcium-Imaging Experimente durchgeführt, um die Neurotransmitter-abhängigen Veränderungen in der intrazellulären Calcium-Konzentration zu messen. Darüber hinaus wurde die Signalkaskade des Neuropeptids Pigment Dispersing Factor (PDF), dem wichtigsten Kopplungsfaktor in circadianen Schrittmachern von Insekten, in Calcium-Imaging und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Experimenten untersucht. Acetylcholin (ACh) erhöht die intrazelluläre Calcium-Konzentration in der Mehrzahl der circadianen Schrittmacherneurone der Madeiraschabe. Applikation von GABA, Serotonin und Octopamin erhöhten oder reduzierten die intrazelluläre Calcium-Konzentration in den AME-Neuronen, während Histamin und Glutamat die intrazelluläre Calcium-Konzentration ausschließlich reduzierten. Pharmakologische Experimente zeigten, dass die AME-Neurone ACh über ionotrope nikotinische ACh-Rezeptoren detektierten, während GABA über ionotrope GABAA-Rezeptoren und metabotrope GABAB-Rezeptoren detektiert wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die circadiane Aktivität der Schabe durch verschiedene Eingänge, einschließlich ACh, GABA, Glutamat, Histamin, Octopamin und Serotonin, moduliert wird. Bei den FRET Studien wurde ein Proteinkinase A (PKA)-basierter FRET Sensor zur Detektion von cyclischem AMP (cAMP) verwendet. Es wurde gezeigt, dass PDF über Adenylylcyclase-abhängige und -unabhängige Signalwege wirken kann. Zusätzlich wurden Laufrad-Assays durchgeführt, um Phasenverschiebungen im Rhythmus der circadianen Laufaktivität zu detektieren, nachdem der Neurotransmitter Histamin zu verschiedenen circadianen Zeiten injiziert wurde. Histamin-Injektionen durch die Komplexaugen der Schabe ergaben eine biphasische Phasenantwortkurve (phase response curve) mit Phasenverzögerungen in der Laufaktivität am späten subjektiven Tag und am Beginn der subjektiven Nacht und Phasenbeschleunigungen in der späten subjektiven Nacht. Schließlich wurde eine extrazelluläre Ableittechnik an lebenden Schaben etabliert, die gleichzeitige Langzeit-Ableitungen von der AME, des Komplexauges (Elektroretinogramm = ERG), und der Beinmuskulatur (Elektromyogramm = EMG) für mehrere Tage ermöglichte. Diese Methode bietet einen Ausgangspunkt für weitere elektrophysiologische Untersuchungen des circadianen Systems der Schabe, in denen Substanzen (z.B. Neurotransmitter und Neuropeptide) analysiert werden können, die einen Einfluss auf den circadianen Rhythmus in der Laufaktivität haben