Über den Einfluss von Neuropeptid Y auf die Amplitude und die Entladungsrate axonterminaler Aktionspotenziale retinaler Ganglienzellen der Klasse R2 und R3 im Tectum opticum während visueller Stimulation der Rotbauchunke Bombina orientalis

Neuropeptid Y (NPY) ist ein potenter Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem der Mammalia. Es ist an der Regulation einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt und scheint auch im retino-tectalen Transfer des visuellen Systems von Anuren eine zentrale Funktion einzunehmen. Die Retina bildet die erste Funktionseinheit bei der Verarbeitung visuellen Inputs. Für die Weiterverarbeitung sind primär das Tectum opticum (TO) und das Praetectum verantwortlich. Es gilt als wahrscheinlich, dass der praetecto-tectale Transfer durch NPY inhibitorisch moduliert wird und damit wesentlichen Einfluss auf die visuelle Mustererkennung und die Dämpfung der tectalen Erregungsausbreitung hat. Die Applikation von NPY auf die Tectumoberfläche schwächt die anfängliche Erregungswelle visuell evozierter Feldpotenziale stark ab und NPY könnte somit Einfluss auf die Axonendknoten retinaler Ganglienzellen des Typs R2, R3 und auch R4 haben. Es können jedoch keine detaillierten Aussagen gemacht werden welche Neuronen in welchem Umfang daran beteiligt sind. Im Rahmen meiner Arbeit, sollte der Einfluss von NPY auf die Spike-Amplitude und die Spike-Rate retinaler Ganglienzellen R2 und R3 bei Bombina orientalis analysiert werden, da diese den größten Input bei der visuellen Mustererkennung liefern und unterschiedliche Funktionen in diesem neuronalen Netzwerk haben. Hierzu wurden visuell evozierte Aktionspotenziale von R2 und R3 Neuronen im TO von Bombina orientalis abgeleitet und mit Hilfe der Analysesoftware Spike 2 bearbeitet und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Spike-Amplituden der R2 Neuronen 20 min nach NPY Applikation auf die Tectumoberfläche reduziert werden. Nach einer Erholungsphase 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Amplituden gemessen werden, 20 min nach Beenden der NPY-Applikation kam es zu einem Abfall der Spike-Amplituden dessen Ursache unbekannt ist. Ob es ein Artefakt ist oder ob es sich hierbei um einen spezifischen Effekt von R2 Neuronen handelt muss noch geklärt werden. Die Spike-Amplituden der R3 Neuronen waren bereits 10 min nach NPY-Applikation reduziert, ein weitere Abfall der Spike-Amplituden konnte nicht verzeichnet werden. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Amplituden verzeichnet werden, der sich stetig fortsetzte. Bei beiden Neuronentypen wurden 20 min nach Beenden der NPY-Applikation Spike-Amplituden nahe der Ausgangsamplitudenhöhe gemessen. Aufgrund des Verlaufes der R3 Neuronen ist davon auszugehen, dass die Feldpotenziale eher durch R3 Neuronen als durch R2 Neuronen beeinflusst werden, da er dem der Feldpotenziale gleicht. Auch bei der Untersuchung der Spike-Raten konnte eine Beeinflussung durch NPY nachgewiesen werden. Die R2 Neuronen zeigten 10 min nach NPY-Applikation einen Abfall der Spike-Raten der sich nach 20 min weiter fortsetzte. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Raten verzeichnet werden der sich stetig fortsetzte, die Werte blieben jedoch deutlich unter den gemessenen Ausgangswerten ohne eine NPY-Beeinflussung. Bei den R3 Neuronen konnte ein Abfall der Spike-Raten deutlich zeitverzögert nachgewiesen werden. 20 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Rate verzeichnet werden, jedoch gab es keine signifikanten Unterschiede der Spike-Raten zu den Werten ohne NPY-Beeinflussung. Der Vergleich der R2 und R3 Neuronen zeigt, dass bei den der R2 Neuronen ein schnellerer Effekt von NPY nachweisbar ist als die den R3 Neuronen. Aufgrund der von mir nachgewiesene NPY-induzierte Spike-Amplitudenabnahme retinaler R2 und R3 Neuronen muss davon ausgegangen werden, dass die Reduktion der Feldpotential durch NPY eher auf den Einfluss anderer Neuronen als R2 und R3 Neuronen zurückzuführen ist. Weder bei den R2 noch bei den R3 Neuronen konnte eine so schnelle und so starke Beeinflussung der Spike- Amplituden verzeichnet werden. Weiterhin zeigen meine Ergebnisse neuronale Bestätigung der von Funke 2005 beschrieben geringeren Strahlungsintensität sowie der geringeren Glukosemetabolisierung bei der 14C-2-Desoxyglukose Technik. Dies ist in der Form nur auf den Einfluss von R2 und R3 Neuronen zurückzuführen. Die von mir erzielten Ergebnisse stützen die Hypothese, dass NPY den retino-tectalen Signaltransfer inhibitorisch steuert einhergehend mit einer reduzierten Ausschüttung des praetectotectalen Transmitters Glutamat und weisen darauf hin, dass NPY über zwei verschiedene second-messenger vermittelte Prozesse diesen Signaltransfer steuert. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass diese nachhaltige Beeinflussung der visuellen Informationsverarbeitung durch NPY bei Bombina orientalis einem phylogenetisch basalen Vertreter der Anuren nachgewiesen werden konnte. Dies lässt den Schluss zu, dass solche grundlegenden neurochemischen Effekte des retino-tectalen Informationsgefüges evolutionär konserviert sind.

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.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Dual retrieval in conceptual information systems

Conceptual Information Systems provide a multi-dimensional conceptually structured view on data stored in relational databases. On restricting the expressiveness of the retrieval language, they allow the visualization of sets of realted queries in conceptual hierarchies, hence supporting the search of something one does not have a precise description, but only a vague idea of. Information Retrieval is considered as the process of finding specific objects (documents etc.) out of a large set of objects which fit to some description. In some data analysis and knowledge discovery applications, the dual task is of interest: The analyst needs to determine, for a subset of objects, a description for this subset. In this paper we discuss how Conceptual Information Systems can be extended to support also the second task.

Agri-environmental evaluation of traditional and alternative corn production systems in Chiapas, Mexico

This study evaluates the effects of environmental variables on traditional and alternative agroecosystems in three Ejidos (communal lands) in the Chiapas rainforest in Mexico. The tests occurred within two seasonal agricultural cycles. In spring-summer, experiments were performed with the traditional slash, fell and burn (S-F-B) system, no-burn systems and rotating systems with Mucuna deeringiana Bort., and in the autumn-winter agricultural cycle, three no-burn systems were compared to evaluate the effect of alternative sowing with corn (no-burn and topological modification of sowing). The results show a high floristic diversity in the study area (S_S = 4 - 23%), with no significant differences among the systems evaluated. In the first cycle, the analysis of the agronomical variables of the corn indicated better properties in the fallowing systems, with an average yield of 1950 kg ha^‑1, but there was variation related to the number of years left fallow. In the second cycle, the yields were positive for the alternative technology (average yield 3100 kg ha^‑1). The traditional S-F-B systems had reduced pests and increased organic matter and soil phosphorous content. These results are the consequence of fallow periods and adaptation to the environment; thus, this practice in the Chiapas rainforest constitutes an ethnocultural reality, which is unlikely to change in the near future if the agrosystems are managed based on historical principles.

Status and Potential of Smallholder Livestock Production Systems in Xishuangbanna, southern P.R. China

With Chinas rapid economic development during the last decades, the national demand for livestock products has quadrupled within the last 20 years. Most of that increase in demand has been answered by subsidized industrialized production systems, while million of smallholders, which still provide the larger share of livestock products in the country, have been neglected. Fostering those systems would help China to lower its strong urban migration streams, enhance the livelihood of poorer rural population and provide environmentally save livestock products which have a good chance to satisfy customers demand for ecological food. Despite their importance, China’s smallholder livestock keepers have not yet gained appropriate attention from governmental authorities and researchers. However, profound analysis of those systems is required so that adequate support can lead to a better resource utilization and productivity in the sector. To this aim, this pilot study analyzes smallholder livestock production systems in Xishuangbanna, located in southern China. The area is bordered by Lao and Myanmar and geographically counts as tropical region. Its climate is characterized by dry and temperate winters and hot summers with monsoon rains from May to October. While the regionis plain, at about 500 m asl above sea level in the south, outliers of the Himalaya mountains reach out into the north of Xishuangbanna, where the highest peak reaches 2400 m asl. Except of one larger city, Jinghong, Xishuangbanna mainly is covered by tropical rainforest, areas under agricultural cultivation and villages. The major income is generated through inner-Chinese tourism and agricultural production. Intensive rubber plantations are distinctive for the lowland plains while small-scaled traditional farms are scattered in the mountane regions. In order to determine the current state and possible future chances of smallholder livestock production in that region, this study analyzed the current status of the smallholder livestock sector in the Naban River National Nature Reserve (NRNNR), an area which is largely representative for the whole prefecture. It covers an area of about 50square kilometer and reaches from 470 up to 2400 m asl. About 5500 habitants of different ethnic origin are situated in 24 villages. All data have been collected between October 2007 and May 2010. Three major objectives have been addressed in the study: 1. Classifying existing pig production systems and exploring respective pathways for development 2. Quantifying the performance of pig breeding systemsto identify bottlenecks for production 3. Analyzing past and current buffalo utilization to determine the chances and opportunities of buffalo keeping in the future In order to classify the different pig production s ystems, a baseline survey (n=204, stratified cluster sampling) was carried out to gain data about livestock species, numbers, management practices, cultivated plant species and field sizes as well associo-economic characteristics. Sampling included two clusters at village level (altitude, ethnic affiliation), resulting in 13 clusters of which 13-17 farms were interviewed respectively. Categorical Principal Component Analysis (CatPCA) and a two-step clustering algorithm have been applied to identify determining farm characteristics and assort recorded households into classes of livestock production types. The variables keep_sow_yes/no, TLU_pig, TLU_buffalo, size_of_corn_fields, altitude_class, size_of_tea_plantationand size_of_rubber_fieldhave been found to be major determinants for the characterization of the recorded farms. All farms have extensive or semi-intensive livestock production, pigs and buffaloes are predominant livestock species while chicken and aquaculture are available but play subordinate roles for livelihoods. All pig raisers rely on a single local breed, which is known as Small Ear Pig (SMEP) in the region. Three major production systemshave been identified: Livestock-corn based LB; 41%), rubber based (RB; 39%) and pig based (PB;20%) systems. RB farms earn high income from rubber and fatten 1.9 ±1.80 pigs per household (HH), often using purchased pig feed at markets. PB farms own similar sized rubber plantations and raise 4.7 ±2.77 pigs per HH, with fodder mainly being cultivated and collected in theforest. LB farms grow corn, rice and tea and keep 4.6 ±3.32 pigs per HH, also fed with collected and cultivated fodder. Only 29% of all pigs were marketed (LB: 20%; RB: 42%; PB: 25%), average annual mortality was 4.0 ±4.52 pigs per farm (LB: 4.6 ±3.68; RB: 1.9 ±2.14; PB: 7.1 ±10.82). Pig feed mainly consists of banana pseudo stem, corn and rice hives and is prepared in batches about two to three times per week. Such fodder might be sufficient in energy content but lacks appropriate content of protein. Pigs therefore suffer from malnutrition, which becomes most critical in the time before harvest season around October. Farmers reported high occurrences of gastrointestinal parasites in carcasses and often pig stables were wet and filled with manure. Deficits in nutritional and hygienic management are major limits for development and should be the first issues addressed to improve productivity. SME pork was found to be known and referred by local customers in town and by richer lowland farmers. However, high prices and lacking availability of SME pork at local wet-markets were the reasons which limited purchase. If major management constraints are overcome, pig breeders (PB and LB farms) could increase the share of marketed pigs for town markets and provide fatteners to richer RB farmers. RB farmers are interested in fattening pigs for home consumption but do not show any motivation for commercial pig raising. To determine the productivity of input factors in pig production, eproductive performance, feed quality and quantity as well as weight development of pigs under current management were recorded. The data collection included a progeny history survey covering 184 sows and 437 farrows, bi-weekly weighing of 114 pigs during a 16-months time-span on 21 farms (10 LB and 11 PB) as well as the daily recording of feed quality and quantity given to a defined number of pigs on the same 21 farms. Feed samples of all recorded ingredients were analyzed for their respective nutrient content. Since no literature values on thedigestibility of banana pseudo stem – which is a major ingredient of traditional pig feed in NRNNR – were found, a cross-sectional digestibility trial with 2x4 pigs has been conducted on a station in the research area. With the aid of PRY Herd Life Model, all data have been utilized to determine thesystems’ current (Status Quo = SQ) output and the productivity of the input factor “feed” in terms of saleable life weight per kg DM feed intake and monetary value of output per kg DM feed intake.Two improvement scenarios were simulated, assuming 1) that farmers adopt a culling managementthat generates the highest output per unit input (Scenario 1; SC I) and 2) that through improved feeding, selected parameters of reproduction are improved by 30% (SC II). Daily weight gain averaged 55 ± 56 g per day between day 200 and 600. The average feed energy content of traditional feed mix was 14.92 MJ ME. Age at first farrowing averaged 14.5 ± 4.34 months, subsequent inter-farrowing interval was 11.4 ± 2.73 months. Littersize was 5.8 piglets and weaning age was 4.3 ± 0.99 months. 18% of piglets died before weaning. Simulating pig production at actualstatus, it has been show that monetary returns on inputs (ROI) is negative (1:0.67), but improved (1:1.2) when culling management was optimized so that highest output is gained per unit feed input. If in addition better feeding, controlled mating and better resale prices at fixed dates were simulated, ROI further increased to 1:2.45, 1:2.69, 1:2.7 and 1:3.15 for four respective grower groups. Those findings show the potential of pork production, if basic measures of improvement are applied. Futureexploration of the environment, including climate, market-season and culture is required before implementing the recommended measures to ensure a sustainable development of a more effective and resource conserving pork production in the future. The two studies have shown that the production of local SME pigs plays an important role in traditional farms in NRNNR but basic constraints are limiting their productivity. However, relatively easy approaches are sufficient for reaching a notable improvement. Also there is a demand for more SME pork on local markets and, if basic constraints have been overcome, pig farmers could turn into more commercial producers and provide pork to local markets. By that, environmentally safe meat can be offered to sensitive consumers while farmers increase their income and lower the risk of external shocks through a more diverse income generating strategy. Buffaloes have been found to be the second important livestock species on NRNNR farms. While they have been a core resource of mixed smallholderfarms in the past, the expansion of rubber tree plantations and agricultural mechanization are reasons for decreased swamp buffalo numbers today. The third study seeks to predict future utilization of buffaloes on different farm types in NRNNR by analyzing the dynamics of its buffalo population and land use changes over time and calculating labor which is required for keeping buffaloes in view of the traction power which can be utilized for field preparation. The use of buffaloes for field work and the recent development of the egional buffalo population were analyzed through interviews with 184 farmers in 2007/2008 and discussions with 62 buffalo keepers in 2009. While pig based farms (PB; n=37) have abandoned buffalo keeping, 11% of the rubber based farms (RB; n=71) and 100% of the livestock-corn based farms (LB; n=76) kept buffaloes in 2008. Herd size was 2.5 ±1.80 (n=84) buffaloes in early 2008 and 2.2 ±1.69 (n=62) in 2009. Field work on own land was the main reason forkeeping buffaloes (87.3%), but lending work buffaloes to neighbors (79.0%) was also important. Other purposes were transport of goods (16.1%), buffalo trade (11.3%) and meat consumption(6.4%). Buffalo care required 6.2 ±3.00 working hours daily, while annual working time of abuffalo was 294 ±216.6 hours. The area ploughed with buffaloes remained constant during the past 10 years despite an expansion of land cropped per farm. Further rapid replacement of buffaloes by tractors is expected in the near future. While the work economy is drastically improved by the use of tractors, buffaloes still can provide cheap work force and serve as buffer for economic shocks on poorer farms. Especially poor farms, which lack alternative assets that could quickly be liquidizedin times of urgent need for cash, should not abandon buffalo keeping. Livestock has been found to be a major part of small mixed farms in NRNNR. The general productivity was low in both analyzed species, buffaloes and pigs. Productivity of pigs can be improved through basic adjustments in feeding, reproductive and hygienic management, and with external support pig production could further be commercialized to provide pork and weaners to local markets and fattening farms. Buffalo production is relatively time intensive, and only will be of importance in the future to very poor farms and such farms that cultivate very small terraces on steep slopes. These should be encouraged to further keep buffaloes. With such measures, livestock production in NRNNR has good chances to stay competitive in the future.

Effects of transformation processes in 'jubraka' agroforestry systems of the Nuba Mountains, Sudan, on nutrient fluxes

Intensification processes in homegardens of the Nuba Mountains, Sudan, raise concerns about strongly positive carbon (C) and nutrient balances which are expected to lead to substantial element losses from these agroecosystems, in particular via soil gaseous emissions. Therefore, this thesis aimed at the quantification of C, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) input and output fluxes with a special focus on soil gaseous losses, and the calculation of respective element balances. A further focus in this thesis was rainfall, a valuable resource for rain-fed agriculture in the Nuba Mountains. To minimize negative consequences of the high variability of rainfall, risk reducing mechanisms were developed by rain-fed farmers that may lose their efficacy in the course of climate change effects predicted for East Africa. Therefore, the second objective of this study was to examine possible changes in rainfall amounts during the last 60 years and to provide reliable risk and probability statements of rainfall-induced events of agricultural importance to rain-fed farmers in the Nuba Mountains. Soil gaseous emissions of C (in form of CO2) and N (in form of NH3 and N2O) of two traditional and two intensified homegardens were determined with a portable dynamic closed chamber system. For C gaseous emission rates reached their peak at the onset of the rainy season (2,325 g CO2-C ha-1 h-1 in an intensified garden type) and for N during the rainy season (16 g NH3-N ha-1 h-1 and 11.3 g N2O-N ha-1 h-1, in a traditional garden type). Data indicated cumulative annual emissions of 5,893 kg CO2-C ha-1, 37 kg NH3-N ha-1, and 16 kg N2O-N ha-1. For the assessment of the long-term productivity of the two types of homegardens and the identification of pathways of substantial element losses, a C and nutrient budget approach was used. In three traditional and three intensified homegardens observation plots were selected. The following variables were quantified on each plot between June and December in 2010: soil amendments, irrigation, biomass removal, symbiotic N2 fixation, C fixation by photosynthesis, atmospheric wet and dry deposition, leaching and soil gaseous emissions. Annual balances for C and nutrients amounted to -21 kg C ha-1, -70 kg N ha-1, 9 kg P ha-1 and -117 kg K ha-1 in intensified homegardens and to -1,722 kg C ha-1, -167 kg N ha-1, -9 kg P ha-1 and -74 kg K ha-1 in traditional homegardens. For the analysis of rainfall data, the INSTAT+ software allowed to aggregate long-term daily rainfall records from the Kadugli and Rashad weather stations into daily, monthly and annual intervals and to calculate rainfall-induced events of agricultural importance. Subsequently, these calculated values and events were checked for possible monotonic trends by Mann-Kendall tests. Over the period from 1970 to 2009, annual rainfall did not change significantly for either station. However, during this period an increase of low rainfall events coinciding with a decline in the number of medium daily rainfall events was observed in Rashad. Furthermore, the availability of daily rainfall data enabled frequency and conditional probability calculations that showed either no statistically significant changes or trends resulting only in minor changes of probabilities.

Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.

Improving cropping systems of semi-arid south-western Madagascar under multiple ecological and socio-economic constraints

Das Mahafaly Plateau im südwestlichen Madagaskar ist gekennzeichnet durch raue klimatische Bedingungen, vor allem regelmäßige Dürren und Trockenperioden, geringe Infrastruktur, steigende Unsicherheit, hohe Analphabetenrate und regelmäßige Zerstörung der Ernte durch Heuschreckenplagen. Da 97% der Bevölkerung von der Landwirtschaft abhängen, ist eine Steigerung der Produktivität von Anbausystemen die Grundlage für eine Verbesserung der Lebensbedingungen und Ernährungssicherheit in der Mahafaly Region. Da wenig über die Produktivität von traditionellen extensiven und neu eingeführten Anbaumethoden in diesem Gebiet bekannt ist, waren die Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit, die limitierenden Faktoren und vielversprechende alternative Anbaumethoden zu identifizieren und diese unter Feldbedingungen zu testen. Wir untersuchten die Auswirkungen von lokalem Viehmist und Holzkohle auf die Erträge von Maniok, der Hauptanbaufrucht der Region, sowie die Beiträge von weiteren Faktoren, die im Untersuchungsgebiet ertragslimitierend sind. Darüber hinaus wurde in der Küstenregion das Potenzial für bewässerten Gemüseanbau mit Mist und Holzkohle untersucht, um zu einer Diversifizierung von Einkommen und Ernährung beizutragen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Schätzung von Taubildung und deren Beitrag in der Jahreswasserbilanz durch Testen eines neu entworfenen Taumessgerätes. Maniok wurde über drei Jahre und in drei Versuchsfeldern in zwei Dörfern auf dem Plateau angebaut, mit applizierten Zeburindermistraten von 5 und 10 t ha-1, Holzkohleraten von 0,5 und 2 t ha-1 und Maniokpflanzdichten von 4500 Pflanzen ha-1. Maniokknollenerträge auf Kontrollflächen erreichten 1 bis 1,8 t Trockenmasse (TM) ha-1. Mist führte zu einer Knollenertragssteigerung um 30 - 40% nach drei Jahren in einem kontinuierlich bewirtschafteten Feld mit geringer Bodenfruchtbarkeit, hatte aber keinen Effekt auf den anderen Versuchsfeldern. Holzkohle hatte keinen Einfluss auf Erträge über den gesamten Testzeitraum, während die Infektion mit Cassava-Mosaikvirus zu Ertragseinbußen um bis zu 30% führte. Pflanzenbestände wurden felder-und jahresübergreifend um 4-54% des vollen Bestandes reduziert, was vermutlich auf das Auftreten von Trockenperioden und geringe Vitalität von Pflanzmaterial zurückzuführen ist. Karotten (Daucus carota L. var. Nantaise) und Zwiebeln (Allium cepa L. var. Red Créole) wurden über zwei Trockenzeiten mit lokal erhältlichem Saatgut angebaut. Wir testeten die Auswirkungen von lokalem Rindermist mit einer Rate von 40 t ha-1, Holzkohle mit einer Rate von 10 t ha-1, sowie Beschattung auf die Gemüseernteerträge. Lokale Bewässerungswasser hatte einen Salzgehalt von 7,65 mS cm-1. Karotten- und Zwiebelerträge über Behandlungen und Jahre erreichten 0,24 bis 2,56 t TM ha-1 beziehungsweise 0,30 bis 4,07 DM t ha-1. Mist und Holzkohle hatten keinen Einfluss auf die Erträge beider Kulturen. Beschattung verringerte Karottenerträge um 33% im ersten Jahr, während sich die Erträge im zweiten Jahr um 65% erhöhten. Zwiebelerträge wurden unter Beschattung um 148% und 208% im ersten und zweiten Jahr erhöht. Salines Bewässerungswasser sowie Qualität des lokal verfügbaren Saatgutes reduzierten die Keimungsraten deutlich. Taubildung im Küstendorf Efoetsy betrug 58,4 mm und repräsentierte damit 19% der Niederschlagsmenge innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraum von 18 Monaten. Dies weist darauf hin, dass Tau in der Tat einen wichtigen Beitrag zur jährlichen Wasserbilanz darstellt. Tageshöchstwerte erreichten 0,48 mm. Die getestete Tauwaage-Vorrichtung war in der Lage, die nächtliche Taubildung auf der metallischen Kondensationsplatte zuverlässig zu bestimmen. Im abschließenden Kapitel werden die limitierenden Faktoren für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft in der Untersuchungsregion diskutiert.