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.

Assessing the users’ need for a spatial decision support system of smallholder farming in Kenya

Accurate data of the natural conditions and agricultural systems with a good spatial resolution are a key factor to tackle food insecurity in developing countries. A broad variety of approaches exists to achieve precise data and information about agriculture. One system, especially developed for smallholder agriculture in East Africa, is the Farm Management Handbook of Kenya. It was first published in 1982/83 and fully revised in 2012, now containing 7 volumes. The handbooks contain detailed information on climate, soils, suitable crops and soil care based on scientific research results of the last 30 years. The density of facts leads to time consuming extraction of all necessary information. In this study we analyse the user needs and necessary components of a system for decision support for smallholder farming in Kenya based on a geographical information system (GIS). Required data sources were identified, as well as essential functions of the system. We analysed the results of our survey conducted in 2012 and early 2013 among agricultural officers. The monitoring of user needs and the problem of non-adaptability of an agricultural information system on the level of extension officers in Kenya are the central objectives. The outcomes of the survey suggest the establishment of a decision support tool based on already available open source GIS components. The system should include functionalities to show general information for a specific location and should provide precise recommendations about suitable crops and management options to support agricultural guidance on farm level.

Entwicklung von Interessen und Nicht-Interessen bei Kindern im Kindergarten, in der Grundschule und in der Sekundarstufe I

Zusammenfassung der Dissertation von Barbara Wieder zum Thema: Entwicklung von Interessen und Nicht-Interessen bei Kindern im Kindergarten, in der Grundschule und in der Sekundarstufe I. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Genese und Entwicklung von Interessen und Nicht-Interessen von Kindern im Alter von 4 bis 16 Jahren. Dazu wurden 87 Kinder sowie deren Eltern und Lehrkräfte bzw. Erzieherinnen mittels strukturierter Interviews in einem Längsschnitt etwa alle zwei Jahre wiederholt befragt. Theoretische Grundlage ist die Rahmenkonzeption einer pädagogischen Interessentheorie, die Interesse als einen Bezug zwischen einer Person und einem Gegenstand bestimmt. Dieser Bezug ist charakterisiert durch die Merkmale kognitive Ausprägung, emotionale Tönung und Wertaspekt (SCHIEFELE et al. 1983) sowie durch die Merkmale zur qualitativen Unterscheidung der PG-Bezüge zwischen Vorläufer-Interessen und Individuellen Interessen von VOGT und WIEDER (1999). Nicht-Interesse wird gemäß UPMEIER ZU BELZEN und VOGT (2001) mithilfe theoretischer Merkmale (wie z. B. Kognition, Emotion, Wertbezug) in zwei unterschiedliche Ausprägungsformen – Desinteresse und Abneigung – differenziert. Für die vorliegende Arbeit ergeben sich folgende Untersuchungsfragen: Wie entstehen Interessen und Nicht-Interessen und wie verlaufen qualitative Entwicklungen? Inwiefern werden die Interessen und Nicht-Interessen im Verlauf außerschulisch und schulisch beeinflusst? Für die Datenerhebung wurden im Rahmen der vorliegenden Studie „halbstandardisierte“ Interviewleitfäden entwickelt und mithilfe der Grundtechniken der qualitativen Inhaltsanalyse von MAYRING (2003) ausgewertet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass alle befragten Kinder spätestens ab dem Schuleintritt über mindestens ein gemäß der Theorie definiertes Individuelles Interesse verfügten, die bis auf eine Ausnahme im außerschulischen Bereich festgestellt wurden. Ausgelöst wurden die Interessen hauptsächlich durch die Eltern und Peers, wobei der Einfluss der Peers im Entwicklungsverlauf immer mehr an Bedeutung gewann. Mit zunehmendem Alter hatten die Kinder auch Nicht-Interessen, die vor allem durch Erlebnisse ausgelöst wurden. Zusätzlich wurde die Entwicklung der Interessen und Nicht-Interessen durch den Grad der Befriedigung der grundlegenden Bedürfnisse (basic needs gemäß DECI & RYAN 1993) nach Kompetenz, Autonomie und sozialer Eingebundenheit während der Person-Gegenstands-Auseinandersetzungen beeinflusst. Beispielsweise fehlte bei Kindern mit schulischen Nicht-Interessen häufig das Erleben von Kompetenz und Autonomie in der Schule. Um der Entstehung von Nicht-Interessen in der Schule vorbeugen zu können, sollte ein alltagsrelevanter, kognitiv und methodisch differenzierter Unterricht stattfinden, der möglichst allen Kindern ein individuelles, positives Kompetenz- und Autonomieerleben ermöglicht. Dann könnten zukünftig sogar vielleicht auch Interessen in der Schule angestoßen werden.

Untersuchung der Adsorptionskinetik photoschaltbarer azobenzolfunktionalisierter selbstorganisierter Monolagen mit optischer Frequenzverdopplung

In dieser Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten zweier azobenzolfunktionalisierter Liganden auf Goldoberflächen untersucht. Diese Liganden zeichnen sich dadurch aus, dass sie mithilfe von Licht bestimmter Wellenlängen zwischen zwei Isomerisierungszuständen – sowohl in Lösung als auch in den auf der Oberfläche resultierenden Monolage – hin und her geschaltet werden können. Somit ist es möglich, Oberflächen herzustellen, deren physikalische und chemische Eigenschaften zwischen zwei Zuständen variiert werden können. Die Messungen des Adsorptionsverhaltens wurden mittels optischer Frequenzverdopplung durchgeführt. Diese Messmethode ist höchst grenzflächensensitiv und ermöglicht es somit die Adsorption der Liganden in situ und ich Echtzeit zu verfolgen. Neben den Adsorptionsmessungen wurde auch die Phase des frequenzverdoppelten Signals über eine Interferenzmethode gemessen. Die Ergebnisse dieser Phasenmessungen ermöglichen es, eine Aussage über eine mögliche Nichtlinearität der untersuchten Moleküle zu treffen. An die in den Adsorptionsmessungen gewonnenen Messdaten wurden drei kinetische Standardmodelle angepasst. Beschreibt eines dieser Modelle den im Experiment bestimmten Adsorptionsverlauf, kann eine Aussage über die zugrunde liegenden Prozesse des Adsorptionsvorganges getroffen werden. Die Ergebnisse der Adsorptionsmessungen zeigen einen deutlichen Einfluss des Isomerisierungszustandes der Liganden auf den Verlauf der Adsorption. Liegen die Moleküle im geschalteten Zustand vor, so verläuft die Adsorption langsamer. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ebenso intermolekulare Wechselwirkungen über Wasserstoffbrückenbindungen einen verlangsamenden Einfluss auf die Adsorption der Liganden haben. In den durchgeführten Phasenmessungen zeigte sich darüber hinaus, dass Liganden, die über an die Azobenzolgruppe angebundene Amidgruppen verfügen, eine Nichtlinearität aufweisen. Diese Nichtlinearität ist zudem vom Isomerisierungszustand der Liganden abhängig. In den kinetischen Untersuchungen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sich die Adsorption der Liganden bis auf eine Ausnahme durch die Langmuirkinetik 2. Ordnung beschreiben lässt. Somit handelt es ich bei der Adsorption der untersuchten Liganden um eine Reaktion, der eine Bindungsspaltung voran geht. Dieser Befund konnte durch Vergleich mit weiteren Experimenten bestätigt werden.