Analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Biologische Rhythmen bestimmen das gesamte Leben auf der Erde. Dabei scheint der circadiane Rhythmus der bekannteste zu sein, welcher durch eine Periodendauer von etwa (lat. circa) 24 Stunden gekennzeichnet ist. Dieser seit Jahrmillionen täglich stattfindende Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte zur Entwicklung von inneren Uhren in nahezu allen Organismen, welche die Physiologie und das Verhalten steuern. In der Schabe Rhyparobia (Leucophaea) maderae, einem etablierten Modellorganismus der circadianen Rhythmusforschung, konnte die innere Uhr auf die akzessorischen Medulla (AMe) eingegrenzt werden. Da neben klassischen Neurotransmittern auch Neuropeptide unablässig für die Aufrechterhaltung des endogenen Rhythmus oder aber für Synchronisationsprozesse sind, bestand der Hauptfokus der Arbeit in der Analyse einer möglichen Beteiligung des myoinhibitorischen Neuropeptids (MIP) am circadianen System von R. maderae. Mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie konnten fünf Rhyparobia-MIPs in Präparationen der AMe identifiziert und zwei vollständig sequenziert werden. Immunzytochemische Analysen zeigten neben einer weiten MIP-Immunreaktivität im Gehirn eine dichte Innervierung der AMe und mit ihr assoziierten Neuronengruppen. Kolokalisation von MIP- und Pigment-dispersing Faktor-Immunreaktivitäten wurden in mindestens zwei circadianen Schrittmacherzellen beobachtet. Immunreaktivitäten in diversen Kommissuren lassen den Schluss zu, dass Rhyparobia-MIPs als Kopplungsfaktoren beider akzessorischen Medullae agieren. Immunzytochemische Kolokalisationsexperimente mit anderen neuroaktiven Kandidaten für den Lichteingangsweg zeigen, dass Rhyparobia-MIPs auch an der Übermittlung photischer Eingänge in die AMe vom ipsi- und kontralateralen Komplexauge beteiligt sein könnten. Darüber hinaus konnte durch Injektionsexperimente kombiniert mit Verhaltensassays gezeigt werden, dass mindestens Rhyparobia-MIP-1 und -2 Eingangssignale in die AMe sind. Des Weiteren konnte mittels enzyme-linked immunosorbent Assays gezeigt werden, dass MIP in der AMe und dem optischen Lobus mindestens über G-Protein gekoppelte Rezeptoren agiert. Diese Rezeptoren scheinen zudem tageszeitabhängig unterschiedlich exprimiert oder aber unterschiedlich sensitiv zu sein.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.

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

Java computer modelling of the Earth System

The JModel suite consists of a number of models of aspects of the Earth System. The Java programmes model in detail aspects of the cycles of some major biogeochemical elements that exemplify the range of geochemical processes in marine environments.

The Role of Kinaesthetic Motor Imagery in Promoting Activation of the Lumbrical Muscles in the Hemiparetic Hand: a Randomised Controlled Study

The objective of the investigation who gave as result this work was to investigate the effectiveness of kinaesthetic motor imagery in the activation of the hemiplegic hand muscles following stroke. The experiment consisted of two random groups. Movements were measured after treatment. The participants were ten patients with hemiplegic hands (men who mean age was 74.4 years; mean time since stroke 3.05 months). All patients received three sessions of physical treatment based on an identical treatment protocol. Five patients were randomly assigned to an experimental group practising kinaesthetic motor imagery of a grasp using the 'lumbrical action' (experimental group). The others five (control group) followed a relaxation script. All the patients were then asked to grasp an object using the 'lumbrical action'. The grasps were recorded using an optoelectronic motion capture system. The magnitude of the extension of the index finger and the correlation of the angular displacement of the proximal phalangeal joints and the metacarpophalangeal joints were calculated. The movement time for the whole grip was calculated. The experimental group demonstrated higher extension in the index finger (p = < 0.01) and they had a higher correlation coefficient (0.99) than the control group (0.77) for the displacement of the proximal interphalangeal joint and the metacarpophalangeal joints. The movement time for the experimental group was faster, although the difference was not significant.

The political influence of the kurdish community in Syria and its possible transboundary Effects in the subregion of the Middle East, during the period 2011-2014

El interés de esta monografía es analizar las interacciones no-lineales con resultados emergentes que mantuvo la comunidad kurda en Siria, durante el periodo 2011-2014, y por las cuales se produjeron formas de auto-organización como resultado de la estructura compleja a la que pertenece. De esta forma, se explica cómo a raíz de la crisis política siria y los enfrentamientos con el Estado Islámico, se transformó el rol de los kurdos en Siria y se influenciaron las estructuras políticas del país y las naciones de la región con población kurda. Por lo tanto, esta investigación se propone analizar este fenómeno a través del enfoque de complejidad en Relaciones Internacionales y el concepto de Auto-Organización. A partir de ello, se indaga sobre las interacciones surgidas en estructuras más pequeñas, que habrían afectado un sistema mayor; estableciendo nuevas formas de organización que no pueden ser explicadas, únicamente, a partir de elementos causales.

Prediction of the bulking phenomenon in wastewater treatment plants

The control and prediction of wastewater treatment plants poses an important goal: to avoid breaking the environmental balance by always keeping the system in stable operating conditions. It is known that qualitative information — coming from microscopic examinations and subjective remarks — has a deep influence on the activated sludge process. In particular, on the total amount of effluent suspended solids, one of the measures of overall plant performance. The search for an input–output model of this variable and the prediction of sudden increases (bulking episodes) is thus a central concern to ensure the fulfillment of current discharge limitations. Unfortunately, the strong interrelation between variables, their heterogeneity and the very high amount of missing information makes the use of traditional techniques difficult, or even impossible. Through the combined use of several methods — rough set theory and artificial neural networks, mainly — reasonable prediction models are found, which also serve to show the different importance of variables and provide insight into the process dynamics

The role of the basic state in the ENSO-monsoon relationship and implications for predictability

The impact of systematic model errors on a coupled simulation of the Asian Summer monsoon and its interannual variability is studied. Although the mean monsoon climate is reasonably well captured, systematic errors in the equatorial Pacific mean that the monsoon-ENSO teleconnection is rather poorly represented in the GCM. A system of ocean-surface heat flux adjustments is implemented in the tropical Pacific and Indian Oceans in order to reduce the systematic biases. In this version of the GCM, the monsoon-ENSO teleconnection is better simulated, particularly the lag-lead relationships in which weak monsoons precede the peak of El Nino. In part this is related to changes in the characteristics of El Nino, which has a more realistic evolution in its developing phase. A stronger ENSO amplitude in the new model version also feeds back to further strengthen the teleconnection. These results have important implications for the use of coupled models for seasonal prediction of systems such as the monsoon, and suggest that some form of flux correction may have significant benefits where model systematic error compromises important teleconnections and modes of interannual variability.

Decadal predictability of the Atlantic Ocean in a coupled GCM: forecast skill and optimal perturbations using Linear Inverse Modelling

The decadal predictability of three-dimensional Atlantic Ocean anomalies is examined in a coupled global climate model (HadCM3) using a Linear Inverse Modelling (LIM) approach. It is found that the evolution of temperature and salinity in the Atlantic, and the strength of the meridional overturning circulation (MOC), can be effectively described by a linear dynamical system forced by white noise. The forecasts produced using this linear model are more skillful than other reference forecasts for several decades. Furthermore, significant non-normal amplification is found under several different norms. The regions from which this growth occurs are found to be fairly shallow and located in the far North Atlantic. Initially, anomalies in the Nordic Seas impact the MOC, and the anomalies then grow to fill the entire Atlantic basin, especially at depth, over one to three decades. It is found that the structure of the optimal initial condition for amplification is sensitive to the norm employed, but the initial growth seems to be dominated by MOC-related basin scale changes, irrespective of the choice of norm. The consistent identification of the far North Atlantic as the most sensitive region for small perturbations suggests that additional observations in this region would be optimal for constraining decadal climate predictions.

Towards an improved understanding of the nitrate dynamics in lowland, permeable river-systems: Applications of INCA-N

The Integrated Catchment Model of Nitrogen (INCA-N) was applied to the Lambourn and Pang river-systems to integrate current process-knowledge and available-data to test two hypotheses and thereby determine the key factors and processes controlling the movement of nitrate at the catchment-scale in lowland, permeable river-systems: (i) that the in-stream nitrate concentrations were controlled by two end-members only: groundwater and soil-water, and (ii) that the groundwater was the key store of nitrate in these river-systems. Neither hypothesis was proved true or false. Due to equifinality in the model structure and parameters at least two alternative models provided viable explanations for the observed in-stream nitrate concentrations. One model demonstrated that the seasonal-pattern in the stream-water nitrate concentrations was controlled mainly by the mixing of ground- and soil-water inputs. An alternative model demonstrated that in-stream processes were important. It is hoped further measurements of nitrate concentrations made in the catchment soil- and ground-water and in-stream may constrain the model and help determine the correct structure, though other recent studies suggest that these data may serve only to highlight the heterogeneity of the system. Thus when making model-based assessments and forecasts it is recommend that all possible models are used, and the range of forecasts compared. In this study both models suggest that cereal production contributed approximately 50% the simulated in-stream nitrate toad in the two catchments, and the point-source contribution to the in-stream load was minimal. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bjerknes compensation and the decadal variability of the energy transports in a coupled climate model

In the 1960s, Jacob Bjerknes suggested that if the top-of-the-atmosphere (TOA) fluxes and the oceanic heat storage did not vary too much, then the total energy transport by the climate system would not vary too much either. This implies that any large anomalies of oceanic and atmospheric energy transport should be equal and opposite. This simple scenario has become known as Bjerknes compensation. A long control run of the Third Hadley Centre Coupled Ocean-Atmosphere General Circulation Model (HadCM3) has been investigated. It was found that northern extratropical decadal anomalies of atmospheric and oceanic energy transports are significantly anticorrelated and have similar magnitudes, which is consistent with the predictions of Bjerknes compensation. ne degree of compensation in the northern extratropics was found to increase with increasing, time scale. Bjerknes compensation did not occur in the Tropics, primarily as large changes in the surface fluxes were associated with large changes in the TOA fluxes. In the ocean, the decadal variability of the energy transport is associated with fluctuations in the meridional overturning circulation in the Atlantic Ocean. A stronger Atlantic Ocean energy transport leads to strong warming of surface temperatures in the Greenland-Iceland-Norwegian (GIN) Seas. which results in a reduced equator-to-pole surface temperature gradient and reduced atmospheric baroclinicity. It is argued that a stronger Atlantic Ocean energy transport leads to a weakened atmospheric transient energy transport.

A concise summary of the International System of Units, the SI

The Bureau International des Poids et Mesures, the BIPM, was established by Article 1 of the Convention du Mètre, on 20 May 1875, and is charged with providing the basis for a single, coherent system of measurements to be used throughout the world. The decimal metric system, dating from the time of the French Revolution, was based on the metre and the kilogram. Under the terms of the 1875 Convention, new international prototypes of the metre and kilogram were made and formally adopted by the first Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) in 1889. Over time this system developed, so that it now includes seven base units. In 1960 it was decided at the 11th CGPM that it should be called the Système International d’Unités, the SI (in English: the International System of Units). The SI is not static but evolves to match the world’s increasingly demanding requirements for measurements at all levels of precision and in all areas of science, technology, and human endeavour. This document is a summary of the SI Brochure, a publication of the BIPM which is a statement of the current status of the SI. The seven base units of the SI, listed in Table 1, provide the reference used to define all the measurement units of the International System. As science advances, and methods of measurement are refined, their definitions have to be revised. The more accurate the measurements, the greater the care required in the realization of the units of measurement.

Analysis of the eyes formed in simulated tropical cyclones and polar lows

The structure and size of the eyes generated in numerically simulated tropical cyclones and polar lows have been studied. A primitive-equation numerical model simulated systems in which the structures of the eyes formed were consistent with available observations. Whilst the tropical cyclone eyes generated were usually rapidly rotating, it appeared impossible for an eye formed in a system with a polar environment to develop this type of structure. The polar low eyes were found to be unable to warm through the subsidence of air with high values of potential temperature, as the environment was approximately statically neutral. Factors affecting the size of the eye were investigated through a series of controlled experiments. In mature tropical cyclone systems the size of the eye was insensitive to small changes in initial conditions, surface friction and latent and sensible heating from the ocean. In contrast, the eye size was strongly dependent on these parameters in the mature polar lows. Consistent with the findings, a mechanism is proposed in which the size of the eye in simulated polar lows is controlled by the strength of subsidence within it.

Extraction behavior of the synergistic system 2,6-bis-(benzoxazolyl)-4-dodecyloxylpyridine and 2-bromodecanoic acid using Am and Eu as radioactive tracers

In this study, the extraction properties of a synergistic system consisting of 2,6-bis-(benzoxazolyl)-4-dodecyloxylpyridine (BODO) and 2-bromodecanoic acid (HA) in tert-butyl benzene (TBB) have been investigated as a function of ionic strength by varying the nitrate ion and perchlorate ion concentrations. The influence of the hydrogen ion concentration has also been investigated. Distribution ratios between 0.03-12 and 0.003-0.8 have been found for Am(III) and Eu(HI), respectively, but there were no attempts to maximize these values. It has been shown that the distribution ratios decrease with increasing amounts of ClO4-, NO3-, and H+. The mechanisms, however, by which the decrease occurs, are different. In the case of increasing perchlorate ion concentration, the decrease in extraction is linear in a log-log plot of the distribution ratio vs. the ionic strength, while in the nitrate case the complexation between nitrate and Am or Eu increases at high nitrate ion concentrations and thereby decreases the distribution ratio in a non-linearway. The decrease in extraction could be caused by changes in activity coefficients that can be explained with specific ion interaction theory (SIT); shielding of the metal ions, and by nitrate complexation with Am and Eu as competing mechanism at high ionic strengths. The separation factor between Am and Eu reaches a maximum at similar to1 M nitrate ion concentration. Thereafter the values decrease with increasing nitrate ion concentrations.

A rheological and SAXS study of the lamellar order in a side-on liquid crystalline block copolymer

We study the structure and shear flow behavior of a side-on liquid crystalline triblock copolymer, named PBA-b-PA444-b-PBA (PBA is poly(butyl acrylate) and PA444 is a poly(acrylate) with a nematic liquid crystal side-on mesogen), in the self-assembled lamellar phase and in the disordered phase. Simultaneous oscillatory shear and small-angle X-ray scattering experiments show that shearing PBA-b-PA444-b-PBA at high frequency and strain amplitudes leads to the alignment of the lamellae with normals perpendicular to the shear direction and to the velocity gradient direction, i.e., in the perpendicular orientation. The order-to-disorder transition temperature (T-ODT) is independent of the applied strain, in contrast to results reported in the literature for coil-coil diblock copolymers, which show an increase in T-ODT with shear rate. It is possible that in our system, T-ODT does not depend on the applied strain because the fluctuations are weaker than those present in coil-coil diblock copolymer systems.