Impact of forest fragmentation and disturbance on the endangered tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

Anthropogene Fragmentierung und Störung von Wäldern beeinflussen ökologische Prozesse. Darüber hinaus werden genetische Drift und Inzucht verstärkt und die Fitness von Populationen beeinträchtigt. Um die Einflüsse von Fragmentierung und Störung auf die Biodiversität und Prozesse in tropischen Wäldern zu ermitteln, habe ich im „Kakamega Forest“, West-Kenia, die Baumart Prunus africana genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf (i) der Frugivorengemeinschaft und Samenausbreitung, (ii) der Kleinsäugergemeinschaft im Kontext der Samenprädation und (iii) der genetische Populationsstruktur von Keimlingen und adulten Bäumen. Der Vergleich von Keimlingen mit adulten Bäumen ermöglicht es, Veränderungen im Genfluss zwischen Generationen festzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im untersuchten Waldgebiet insgesamt 49 frugivore Arten (Affen und Vögel) vorkommen. Dabei lag die Gesamtartenzahl im zusammenhängenden Wald höher als in den isoliert liegenden Fragmenten. An den Früchten von P. africana konnten insgesamt 36 Arten fressend beobachtet werden. Hier jedoch wurden in Fragmenten eine leicht erhöhte Frugivorenzahl sowie marginal signifikant erhöhte Samenausbreitungsraten nachgewiesen. Der Vergleich von stark gestörten mit weniger gestörten Flächen zeigte eine höhere Gesamtartenzahl sowie eine signifikant höhere Frugivorenzahl in P. africana in stark gestörten Flächen. Entsprechend war die Samenausbreitungsrate in stark gestörten Flächen marginal signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die quantitative Samenausbreitung in fragmentierten und gestörten Flächen etwas erhöht ist und somit eine gewisse Artenredundanz besteht, die den Verlust einzelner Arten ausgleichen könnte. Prunus africana Samen, die auf dem Boden lagen, wurden hauptsächlich von einer Nagerart (Praomys cf. jacksonii) erbeutet. Dabei war in gestörten Waldbereichen eine tendenziell höhere Prädatoraktivität zu beobachten als in weniger gestörten. Zudem waren einzelne Samen im Gegensatz zu Samengruppen in gestörten Flächen signifikant höherem Prädationsdruck ausgesetzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fragmentierung sowie anthropogene Störungen auf unterschiedliche Prozesse im Lebenszyklus eines tropischen Baumes gegensätzliche Effekte haben können. Eine Extrapolation von einem auf einen anderen Prozess kann somit nicht erfolgen. Die genetische Differenzierung der adulten Baumpopulationen war gering (FST = 0.026). Der Großteil ihrer Variation (~ 97 %) lag innerhalb der Populationen, was intensiven Genfluss in der Vergangenheit widerspiegelt. Die genetische Differenzierung der Keimlinge war etwas erhöht (FST = 0.086) und ~ 91 % ihrer Variation lag innerhalb der Populationen. Im Gegensatz zu den adulten Bäumen konnte ich für Keimlinge ein „Isolation-by-distance“-Muster feststellen. Somit sind erste Hinweise auf begrenzten Genfluss im Keimlingsstadium infolge von Fragmentierung gegeben. Obwohl die Momentaufnahmen im Freiland keine Abnahme in der Frugivorenzahl und Samenausbreitung von P. africana als Folge von Fragmentierung beobachten ließen, weisen die Ergebnisse der genetischen Studie auf einen bereits reduzierten Genaustausch zwischen den Populationen hin. Somit lässt sich feststellen, dass die Faktoren Fragmentierung und Störung genetische Diversität, ökologische Prozesse und Artendiversität in Wäldern jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um Konsequenzen derartiger Einflüsse folgerichtig abschätzen zu können, sind Studien auf unterschiedlichen Diversitätsebenen unabdingbar.

Reinforcement Lernen mit Regularisierungsnetzwerken

Die Arbeit behandelt das Problem der Skalierbarkeit von Reinforcement Lernen auf hochdimensionale und komplexe Aufgabenstellungen. Unter Reinforcement Lernen versteht man dabei eine auf approximativem Dynamischen Programmieren basierende Klasse von Lernverfahren, die speziell Anwendung in der Künstlichen Intelligenz findet und zur autonomen Steuerung simulierter Agenten oder realer Hardwareroboter in dynamischen und unwägbaren Umwelten genutzt werden kann. Dazu wird mittels Regression aus Stichproben eine Funktion bestimmt, die die Lösung einer "Optimalitätsgleichung" (Bellman) ist und aus der sich näherungsweise optimale Entscheidungen ableiten lassen. Eine große Hürde stellt dabei die Dimensionalität des Zustandsraums dar, die häufig hoch und daher traditionellen gitterbasierten Approximationsverfahren wenig zugänglich ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Reinforcement Lernen durch nichtparametrisierte Funktionsapproximation (genauer, Regularisierungsnetze) auf -- im Prinzip beliebig -- hochdimensionale Probleme anwendbar zu machen. Regularisierungsnetze sind eine Verallgemeinerung von gewöhnlichen Basisfunktionsnetzen, die die gesuchte Lösung durch die Daten parametrisieren, wodurch die explizite Wahl von Knoten/Basisfunktionen entfällt und so bei hochdimensionalen Eingaben der "Fluch der Dimension" umgangen werden kann. Gleichzeitig sind Regularisierungsnetze aber auch lineare Approximatoren, die technisch einfach handhabbar sind und für die die bestehenden Konvergenzaussagen von Reinforcement Lernen Gültigkeit behalten (anders als etwa bei Feed-Forward Neuronalen Netzen). Allen diesen theoretischen Vorteilen gegenüber steht allerdings ein sehr praktisches Problem: der Rechenaufwand bei der Verwendung von Regularisierungsnetzen skaliert von Natur aus wie O(n**3), wobei n die Anzahl der Daten ist. Das ist besonders deswegen problematisch, weil bei Reinforcement Lernen der Lernprozeß online erfolgt -- die Stichproben werden von einem Agenten/Roboter erzeugt, während er mit der Umwelt interagiert. Anpassungen an der Lösung müssen daher sofort und mit wenig Rechenaufwand vorgenommen werden. Der Beitrag dieser Arbeit gliedert sich daher in zwei Teile: Im ersten Teil der Arbeit formulieren wir für Regularisierungsnetze einen effizienten Lernalgorithmus zum Lösen allgemeiner Regressionsaufgaben, der speziell auf die Anforderungen von Online-Lernen zugeschnitten ist. Unser Ansatz basiert auf der Vorgehensweise von Recursive Least-Squares, kann aber mit konstantem Zeitaufwand nicht nur neue Daten sondern auch neue Basisfunktionen in das bestehende Modell einfügen. Ermöglicht wird das durch die "Subset of Regressors" Approximation, wodurch der Kern durch eine stark reduzierte Auswahl von Trainingsdaten approximiert wird, und einer gierigen Auswahlwahlprozedur, die diese Basiselemente direkt aus dem Datenstrom zur Laufzeit selektiert. Im zweiten Teil übertragen wir diesen Algorithmus auf approximative Politik-Evaluation mittels Least-Squares basiertem Temporal-Difference Lernen, und integrieren diesen Baustein in ein Gesamtsystem zum autonomen Lernen von optimalem Verhalten. Insgesamt entwickeln wir ein in hohem Maße dateneffizientes Verfahren, das insbesondere für Lernprobleme aus der Robotik mit kontinuierlichen und hochdimensionalen Zustandsräumen sowie stochastischen Zustandsübergängen geeignet ist. Dabei sind wir nicht auf ein Modell der Umwelt angewiesen, arbeiten weitestgehend unabhängig von der Dimension des Zustandsraums, erzielen Konvergenz bereits mit relativ wenigen Agent-Umwelt Interaktionen, und können dank des effizienten Online-Algorithmus auch im Kontext zeitkritischer Echtzeitanwendungen operieren. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes anhand von zwei realistischen und komplexen Anwendungsbeispielen: dem Problem RoboCup-Keepaway, sowie der Steuerung eines (simulierten) Oktopus-Tentakels.

Measurement of the elastic electron-proton cross section and separation of the electric and magnetic form factor in the Q 2 range from 0.004 to 1 (GeV/c) 2

The electromagnetic form factors of the proton are fundamental quantities sensitive to the distribution of charge and magnetization inside the proton. Precise knowledge of the form factors, in particular of the charge and magnetization radii provide strong tests for theory in the non-perturbative regime of QCD. However, the existing data at Q^2 below 1 (GeV/c)^2 are not precise enough for a hard test of theoretical predictions.rnrnFor a more precise determination of the form factors, within this work more than 1400 cross sections of the reaction H(e,e′)p were measured at the Mainz Microtron MAMI using the 3-spectrometer-facility of the A1-collaboration. The data were taken in three periods in the years 2006 and 2007 using beam energies of 180, 315, 450, 585, 720 and 855 MeV. They cover the Q^2 region from 0.004 to 1 (GeV/c)^2 with counting rate uncertainties below 0.2% for most of the data points. The relative luminosity of the measurements was determined using one of the spectrometers as a luminosity monitor. The overlapping acceptances of the measurements maximize the internal redundancy of the data and allow, together with several additions to the standard experimental setup, for tight control of systematic uncertainties.rnTo account for the radiative processes, an event generator was developed and implemented in the simulation package of the analysis software which works without peaking approximation by explicitly calculating the Bethe-Heitler and Born Feynman diagrams for each event.rnTo separate the form factors and to determine the radii, the data were analyzed by fitting a wide selection of form factor models directly to the measured cross sections. These fits also determined the absolute normalization of the different data subsets. The validity of this method was tested with extensive simulations. The results were compared to an extraction via the standard Rosenbluth technique.rnrnThe dip structure in G_E that was seen in the analysis of the previous world data shows up in a modified form. When compared to the standard-dipole form factor as a smooth curve, the extracted G_E exhibits a strong change of the slope around 0.1 (GeV/c)^2, and in the magnetic form factor a dip around 0.2 (GeV/c)^2 is found. This may be taken as indications for a pion cloud. For higher Q^2, the fits yield larger values for G_M than previous measurements, in agreement with form factor ratios from recent precise polarized measurements in the Q2 region up to 0.6 (GeV/c)^2.rnrnThe charge and magnetic rms radii are determined as rn⟨r_e⟩=0.879 ± 0.005(stat.) ± 0.004(syst.) ± 0.002(model) ± 0.004(group) fm,rn⟨r_m⟩=0.777 ± 0.013(stat.) ± 0.009(syst.) ± 0.005(model) ± 0.002(group) fm.rnThis charge radius is significantly larger than theoretical predictions and than the radius of the standard dipole. However, it is in agreement with earlier results measured at the Mainz linear accelerator and with determinations from Hydrogen Lamb shift measurements. The extracted magnetic radius is smaller than previous determinations and than the standard-dipole value.

Lokalisierung der Fortsatz-induzierenden Domäne von Transmembran-Agrin

Aggregation oder Überexpression der Transmembran-Isoform des extrazellulären Matrix-Proteoglycans Agrin in Neuronen führt zur Bildung zahlreicher filopodienartiger Fortsätze auf Axonen und Dendriten. Ähnliche Fortsätze können auch durch Überexpression von Transmembran-Agrin in verschiedenen nicht-neuronalen Zelllinien induziert werden. Untersuchungen zu dieser Fortsatz-induzierenden Aktivität in Neuronen und nicht-neuronalen Zellen zeigen, dass der extrazelluläre Teil von Transmembran-Agrin für die Fortsatzbildung notwendig ist. In dieser Arbeit wurde mittels verschiedener Deletions- und Mutationskonstrukte der Bereich zwischen den Cysteinen C535 und C567 der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne von Transmembran-Agrin als essentiell für die Bildung der filopodienartigen Fortsätze identifiziert. Die siebte Follistatin-ähnliche Domäne konnte durch die erste oder sechste, jedoch nicht durch die achte Follistatin-ähnliche Domäne funktionell ersetzt werden, was für eine funktionelle Redundanz bei einigen Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins spricht. Zudem scheint eine kritische Distanz der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne zur Plasmamembran für die Fortsatzbildung wichtig zu sein. Diese Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Regionen innerhalb Agrins für die Bildung der Synapse an der neuromuskulären Endplatte und der Fortsätze im Zentralnervensystem verantwortlich sind, und deuten auf eine Funktion der Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins bei der Entwicklung des Zentralnervensystems hin.

cis-Regulation des Drosophila-melanogaster-Gens optomotor-blind

Die zeitliche und räumliche Expression von Genen trägt zu einem entscheidenden Ausmaß zu der Entwicklung eines Organismus bei. Unter vielen Faktoren spielt dabei die transkriptionelle Regulation eine wichtige Rolle. Diese basiert auf Anwesenheit und Binden von regulatorischen Proteinen an cis-regulatorischen Sequenzen (CRMs) und deren Einfluss auf die Transkriptionsmaschinerie am Promotor. Veränderungen der CRMs können zu Veränderungen der Genexpression führen, und somit einen Beitrag zur morphologischen Evolution leisten. rnIn dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation des Drosophila melanogaster Gens optomotor-blind insbesondere in den pupalen Tergiten untersucht. In einem Enhancer-Reporter screen wurde eine regulatorische Region in Intron IV, die Reportergen-Expression in den pupalen Tergiten treibt, identifiziert. Große Teile dieser Region (ombTU10 und ombTU11) trieben Reportergen-Expression in einem omb-ähnlichen Muster. Eine weitere Region (ombTU12) trieb Expression in einem für Hh-Zielgene typischen Expressionsmuster. Für ombTU12 konnte eine Hh-Abhängigkeit nachgewiesen werden. Die für Hh-Zielgene typische Enhanceraktivität konnte in dem Subfragment ombTU12Amin lokalisiert werden, welches zwei konservierte Bindestellen des Effektors der Hh-Signaltransduktionskaskase, Cubitus interruptus (Ci), enthält. Eine deutliche Abhängigkeit der Expression dieses Fragments von den Ci-Bindestellen konnte bisher aber noch nicht nachgewiesen werden.rnDeletionen verschiedener Bereiche dieser Tergitenenhancer-Region aus dem endogenen Gen sollten Aufschluss über deren Notwendigkeit in der Regulation von omb geben. Die Deletion des Fragments ombTU10 (ΔombTU10-2) führte zu einer Variabilität in der Pigmentierung der Abdominalsegmente A5 und A6 der Weibchen. Eine Deletion von Teilen des hh-responsiven Fragments ombTU12 (ΔombTU12A) zeigte keinen abdominalen Phänotyp. Dies deutet auf eine redundante Wirkung der Fragmente untereinander, oder mit einem weiteren bisher nicht identifizierten Tergitenenhancer im omb-Locus hin.rnFragmente, die in den pupalen Tergiten Reportergen-Expression trieben, waren zum Teil auch in Imaginalscheiben von Larven aktiv. Desweiteren wurde gezeigt, dass Fragmente, die in Isolation Reportergen-Expression trieben, als Fusionskonstrukt mit benachbarten genomischen Sequenzen keine Expression zeigten und somit im genomischen Kontext inaktiv sein können. Demzufolge sind nicht nur Aktivator- sondern auch Repressorregionen für die korrekte Expression eines Gens von Bedeutung.rnDie Analyse von omb Enhancer-Trap Insertionen zeigte, dass von drei untersuchten Typen (PlacW, PGalW und PGawB) nur Insertionen vom letzteren in den pupalen Tergiten aktiv waren. Von vier PGawB Insertionen waren nur drei aktiv. Es ist denkbar, dass die Orientierung der inaktiven Insertion für die mangelnde Responsivität verantwortlich ist.rn

Ein räumliches Orientierungsgedächtnis im Zentralkomplex von Drosophila melanogaster und die spezifische Rolle von ellipsoid-body-open

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Strukturmutationslinien von Drosophila melanogaster, grf und ebo, hinsichtlich ihres Lauf- und Orientierungsverhaltens im Buridanschen sowie im Detour-Paradigma untersucht. Als Kernthema der Arbeit entwickelte sich rasch die molekulare Analyse von ebo in Bezug auf das räumliche Orientierungsgedächtnis, da ebo-mutante Fliegen Letzteres nicht zeigen. Durch Wiederherstellen der EBO-Funktion kann der Verhaltensphänotyp der ebo-Mutante in jeder Ringneuronengruppe des Ellipsoidkörpers gerettet werden, jedoch nicht der Strukturdefekt. Zudem wird zur Ausbildung des Orientierungsgedächtnisses EBO nicht während der Entwicklung, sondern akut benötigt. Aufgrund der Tatsache, dass ebo für das nukleäre Protein Exportin6 codiert, und selbiges für den Export von Aktin-Profilin-Komplexen aus dem Zellkern verantwortlich ist (STÜVEN ET AL., 2003), zeigen ebo-Tiere nukleäre Aktin-Akkumulationen sowohl während der Entwicklung in Speicheldrüsen als auch im adulten Gehirn, was mittels Expression eines Actin::GFP-Fusionsproteins gezeigt wurde. Die genetischen Interaktionsexperimente zeigen, dass der anatomische Defekt von ebo durch eine reduzierte Aktin-Polymerisation erfolgt, für den Verhaltensphänotyp jedoch die Aktin-Anreicherung in den Zellkernen von Ringneuronen des Ellipsoidkörpers ursächlich ist. Die erstaunliche Redundanz der Ringneurone in Bezug auf die Rettung des Verhaltensphänotyps legt nahe, dass diffusible Faktoren eine wichtige Rolle für die Ausbildung eines Orientierungsgedächtnisses spielen. Bezüglich dieser Hypothese konnte nachgeweisen werden, dass durch FMRFamid-RNAi in R2- und R4-Ringneuronen des Ellipsoidkörpers das Orientierungsgedächtnis zerstört wird. Eine daraufhin durchgeführte Antikörperfärbung gegen pro-FMRFa in wildtypischen und ebo-mutanten Gehirnen ergab jedoch keine Verschiedenheit die Menge oder Lokalisation betreffend. Die bei ebo vorhandene Anreicherung von Aktin im Zellkern bewirkt, dass die Aktin-Monomere im Nucleus an den Cofaktor dMRTF (Mrtf) binden und diesen somit inaktivieren. Dadurch kann der Transkriptionsfaktor dSRF (bs) nicht mehr durch dMRTF aktiviert werden, was den Orientierungsgedächtnis-Verlust bewirkt. Da es jedoch unwahrscheinlich ist, dass ein Gedächtnis, welches nur wenige Sekunden andauert, von Transkriptionsregulation abhängt, könnte dSRF auch die Genexpression von Molekülen, die schnelle Veränderungen synaptischer Transmission der Ringneurone vermitteln, modulieren. Für die Zukunft wäre es demnach von enormer Bedeutung, weitere Zielgene von dSRF aufzuklären und zu analysieren.

Higher-order molecular properties and excitation energies in single-reference and multireference coupled-cluster theory

Coupled-cluster (CC) theory is one of the most successful approaches in high-accuracy quantum chemistry. The present thesis makes a number of contributions to the determination of molecular properties and excitation energies within the CC framework. The multireference CC (MRCC) method proposed by Mukherjee and coworkers (Mk-MRCC) has been benchmarked within the singles and doubles approximation (Mk-MRCCSD) for molecular equilibrium structures. It is demonstrated that Mk-MRCCSD yields reliable results for multireference cases where single-reference CC methods fail. At the same time, the present work also illustrates that Mk-MRCC still suffers from a number of theoretical problems and sometimes gives rise to results of unsatisfactory accuracy. To determine polarizability tensors and excitation spectra in the MRCC framework, the Mk-MRCC linear-response function has been derived together with the corresponding linear-response equations. Pilot applications show that Mk-MRCC linear-response theory suffers from a severe problem when applied to the calculation of dynamic properties and excitation energies: The Mk-MRCC sufficiency conditions give rise to a redundancy in the Mk-MRCC Jacobian matrix, which entails an artificial splitting of certain excited states. This finding has established a new paradigm in MRCC theory, namely that a convincing method should not only yield accurate energies, but ought to allow for the reliable calculation of dynamic properties as well. In the context of single-reference CC theory, an analytic expression for the dipole Hessian matrix, a third-order quantity relevant to infrared spectroscopy, has been derived and implemented within the CC singles and doubles approximation. The advantages of analytic derivatives over numerical differentiation schemes are demonstrated in some pilot applications.

Demography in eusocial Hymenoptera

In my doctoral thesis I investigated the evolution of demographic traits within eusocial Hymenoptera. In the social bees, wasps and ants, eusociality has a unique effect on life span evolution as female larvae with the same genetic background can develop through phenotypic plasticity to a queen or a worker with vastly diverging life-history traits. Ant queens belong to the longest-lived insect species, while workers in most species live only a fraction of the queen’s life span. The average colony size of a species is positively correlated with social complexity, division of labor and diverging morphological female phenotypes all of which also affect life span. Therefore the demographic traits of interest in this thesis were life span and colony size. To understand the evolution of worker life span I applied a trade-off model that includes both hierarchical levels important in eusocial systems, namely the colony- and the individual-level. I showed that the evolution of worker life span may be an adaptive trait on the colony level to optimize resource allocation and therefore fitness in response to different levels of extrinsic mortality. A shorter worker life span as a result of reduced resource investments under high levels of extrinsic mortality increases colony fitness. In a further study I showed that Lasius niger colonies produce different aging phenotypes throughout colony development. Smaller colonies which apply a different foraging strategy than larger colonies produced smaller workers, which in turn have a longer life span as compared to larger workers produced in larger colonies. With the switch to cooperative foraging in growing colonies individual workers become less important for the colony caused by their increasing redundancy. Alternatively a trade of between growth and life span may lead to the results found in this study. A further comparative analysis to study the effect of colony size on life span showed a correlation between queen and worker life span when colony size is taken into account. While neither worker nor queen life span was associated with colony size, the differences between queen and worker life span increase with larger average colony sizes across all eusocial Hymenoptera. As colony size affects both queen and worker life span, I aimed to understand which factors lead to the small colony sizes displayed by some ant species. I therefore analyzed per-capita productivity at different colony sizes of eight cavity dwelling ant species. Most colonies of the study species grew larger than optimal productivity predicted. Larger colony size was shown to increase colony homeostasis, the predictability of future productivity and in turn the survival probability of the colony. I also showed that species that deploy an individual foraging mode may circumvent the density dependent decline in foraging success by splitting the colony to several nest sites.