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Response to the „Comment on ’Geoarchaeological and chronometrical evidence …’ ” by J.C. Carracedo et al.
(2004)
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Ludwig Zöller
Hans von Suchodoletz
Henrik Blanchard
Dominik Faust
Ulrich Hambach
- This paper is a reply to the comments made by Carracedo et al. (Quaternary Science Reviews 23, 2045-2049) to the original paper by Zöller, L., Suchodoletz, H.von & N. Küster (2003): Geoarchaeological and chronometrical evidence of early human occupation on Lanzarote (Canary Islands), Quaternary Science Reviews 22, 1299-1307. The reply copes with comments concerning chronometrical dating, the origin of investigated material and geomorphologic and geoarchaeologic problems.
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Template-Controlled Synthesis of Magnetic/Semiconducting Nanoparticles within Amphiphilic Core-Shell Cylindrical Polymer Brushes
(2004)
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Mingfu Zhang
- Core-shell cylindrical polymer brushes with poly(t-butyl acrylate)-b-poly(n-butyl acrylate) (PtBA-b-PnBA) diblock copolymer side chains were synthesized via the “grafting from” technique using a combination of anionic polymerization (for the synthesis of the backbone) and atom transfer radical polymerization (ATRP, for the synthesis of the side chains). The formation of well-defined brushes was confirmed by 1H-NMR and GPC. The selective hydrolysis of the PtBA block of the side chains resulted in novel amphiphilic core-shell cylindrical polymer brushes with poly(acrylic acid)-b-poly(n-butyl acrylate) (PAA-b-PnBA) side chains. The characteristic core-shell cylindrical structure of the brushes was directly visualized on mica by scanning force microscopy (SFM). Amphiphilic brushes with 1500 block copolymer side chains and a length distribution of lw/ln = 1.04 at a total length ln = 179 nm were obtained. These amphiphilic polymer brushes can be regarded as unimolecular cylindrical micelles, because of the core-shell structure and the amphiphilicity of side chains. The amphiphilic brushes can be used as single molecular templates for the synthesis of inorganic nanoparticles, because the carboxylic acid groups (or carboxylate groups, after neutralization) in the polymer core can coordinate with various metal ions. The hydrophilic core of polymer brushes, poly(acrylic acid), was neutralized by NaOH and afterward iron cations (Fe3+ and Fe2+) were loaded into the polymer core via ion exchange. The formation of the polychelates of polymer brushes and iron cations was confirmed and characterized by various techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV/vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and SFM. A peculiar “pearl necklace” morphology was observed for the polychelates, which is caused by the physical cross-linking of the side chains via multivalent iron cations. Formation of crystalline alpha-Fe2O3 (hematite) was observed during the He-Ne laser irradiation in the confocal Raman microscopy measurement of the polychelate containing Fe3+ ions. Magnetic nanoparticles were successfully produced from the coordinated iron cations within polymer brushes via single molecule templating technique, as confirmed by various techniques such as SFM, TEM, and UV/visible spectroscopy. Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetization measurements show that the hybrid nanocylinders are superparamagnetic at room temperature. The polymer shell provides not only the stability of the nanoparticles but also the solubility of the hybrid nanocylinders. After the formation of the magnetic nanoparticles, the carboxylate coordination sites within the polymer brushes are liberated and ready for further coordination with more iron ions, thus it is possible to increase the amount and/or particle size of the nanoparticles by multi-cycles of iron ion loading and particle formation. The as-prepared hybrid nanocylinders combine the promising properties of polymers and superparamagnetic nanoparticles, and may find potential applications such as in ferrofluids. Similarly, using the amphiphilic core-shell cylindrical polymer brush with PAA core and PnBA shell as template, wire-like assemblies of CdS nanoparticles were successfully synthesized under mild solution conditions, as confirmed by various characterization techniques. Quantum confinement of the CdS nanoparticles was observed, indicated by the blue shift of the absorbance edge in UV/visible spectrum. The technique using a single cylindrical molecule as template for inorganic nanoparticle fabrication presented in this thesis is not restricted to magnetic/semiconductor nanoparticles, but can also be used for the preparation of a number of metal, metal oxide, and metal chalcogenide nanoparticles.
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Strukturbiologische Untersuchungen und Faltungsstudien von Modellproteinen mittels NMR-Spektroskopie
(2004)
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Markus Wolfgang Zeeb
- Die biologische Funktion von Proteinen basiert in den meisten Fällen auf einer definierten dreidimensionalen Struktur, die sich im Verlauf der Proteinfaltung ausbildet. In dieser Arbeit wurden die Modellproteine CspB aus B. subtilis, RNase T1 aus A. oryzae, ORF56 aus S. islandicus sowie des humanen CDK-Inhibitors p19INK4d mit einer Reihe biophysikalischer Methoden ausführlich charakterisiert. Die schnelle interne Dynamik von CspB wurde bei verschiedenen Lösungsmittelviskositäten untersucht, wobei durch eine erweiterte Lipari-Szabo-Analyse der 15N-Relaxationsparameter die Rotationskorrelationszeit iterativ optimiert. Diese stellt einen empfindlichen Sensor gegenüber der unmittelbaren Umgebung des Proteins innerhalb der Hydratationshülle dar, wobei die Geschwindigkeit der Gesamtbewegung nicht von der Größe des Proteins inklusive seiner Hydratationshülle sondern vielmehr von deren Mikroviskosität abhängt. Die Dynamik im ps- bis ns-Bereich bleibt bei steigender Viskosität nahezu unverändert. Der Beitrag des chemischen Austauschs (Rex) zur transversalen Relaxationsrate ist über das gesamte Protein verteilt und korreliert nicht mit Sekundärstrukturelementen oder flexiblen Schleifen. Rex repräsentiert daher nicht die lokale Dynamik einzelner Reste sondern ist auf die globale Faltungsreaktion von CspB im Millisekundenbereich zurückzuführen. Durch die Erhöhung der Viskosität wird die Größe und Anzahl der Rex-Beiträge signifikant reduziert. Die Kooperativität der Millisekundenfaltung von CspB wurde anhand dynamischer NMR-Methoden untersucht, wobei die Bestimmung der Faltungsraten mit R2-Dispersionsmessungen die verlässlichsten Ergebnisse lieferte. Die 24 analysierten ortsspezifischen Sonden zeigen sehr ähnliche apparente Faltungsraten und stimmen gut mit stopped flow Fluoreszenz detektierten Faltungsraten überein. Die Faltung verläuft kooperativ und über einen wenig heterogenen Übergangszustand. Die Wechselwirkung von CspB mit einzelsträngiger DNA wurde auf struktureller Ebene charakterisiert. Die aus Sequenzvergleichen postulierte potentielle Bindungsregion von CspB wurde mittels NMR-Titrationsexperimenten verifiziert. Dabei konnten zusätzliche Aminosäuren außerhalb der Bindungsmotive identifiziert werden, die für die Interaktion sehr wichtig sind. Die Beiträge einzelner Reste zur Bindungsaffinität wurden anhand einer Mutationsanalyse bestimmt, wobei die Lösungsmittel-exponierten Phenylalanine essentiell für eine feste Bindung sind. Aus der Strukturbestimmung von CspB im Komplex mit dem ssDNA-Fragment dT7 folgte, dass das Proteinrückgrat nahezu unverändert vorliegt und die Hauptunterschiede in der relativen Orientierung der aromatischen Seitenketten liegen. Die Modellierung der Struktur des Komplexes mit HADDOCK weist auf die vermuteten Stapel-Wechselwirkungen der aromatischen Seitenketten mit den Basen der ssDNA hin. Die Bindung der Nukleinsäure stabilisiert CspB. Das homodimere Protein ORF56 aus dem acidohyperthermophilen Archaeon Sulfolobus islandicus wurde mit einer Fülle von biophysikalischen Methoden studiert und dessen dreidimensionale Struktur mittels NMR bestimmt. Diese ähnelt der des Arc-Repressor sehr. Die Faltung von ORF56 kann sowohl im Gleichgewicht als auch in der Faltungskinetik mit dem Zweizustandsmodell für dimere Proteine beschrieben werden. Das Protein besitzt eine außerordentlich hohe Stabilität, was in dem extrapolierten Schmelzpunkt der thermischen Entfaltung von 107 °C zum Ausdruck kommt. Diese extreme Stabilität wird von der schnellen simultanen Assoziations-/Faltungsreaktion aber vor allem durch die besonders langsame Entfaltungsreaktion (5.7 pro Jahr) bestimmt. Die Entwicklung höherdimensionaler Echtzeit NMR-Techniken zum Studium langsamer Faltungsreaktionen wurde mit S54G/P55N RNase T1 durchgeführt. Die geschwindigkeitsbestimmende trans/cis Isomerisierung der Y38-P39 Peptidbindung synchronisiert die kooperative Rückfaltung des Faltungsintermediats, was anhand einer Vielzahl von ortsspezifischen Sonden gezeigt wurde. Die Aufnahme von 3D Echtzeit NOESY-HSQC-Spektren ermöglichte die Zuordnung des Proteinrückgrats des Faltungsintermediats und die Identifizierung von NOE-Kreuzsignalen, die die Basis für eine zukünftige Strukturbestimmung des transienten Zustands bilden. Die Faltung des humanen CDK-Inhibitors p19INK4d, der weder Trp noch Tyr enthält, wurde mit Circulardichroismus und Phenylalanin-Fluoreszenz beobachtet. Mittels dieser optischen Sonden wurde im Gleichgewicht ein apparentes Zweizustandsmodell gefunden. Allerdings wurde in einem NMR-detektierten Entfaltungsübergang ein dritter Zustand bei mittleren Harnstoffkonzentrationen detektiert. Unter stark nativen Bedingungen konnten drei Rückfaltungsphasen aufgelöst werden. Die langsamste Phase kann mit PPIasen signifikant beschleunigt werden, was auf eine Prolyl-cis/trans-Isomerisierung hindeutet, die mittels 1D Echtzeit NMR-Spektroskopie verfolgt werden konnte.
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In situ studies of sugar metabolism in Ricinus communis L. and Saccharum officinarum L.
(2004)
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Shih-Long Yan
- In order to find the sucrose efflux transporter of the endosperm of Ricinus communis L., the yeast complementation selection method was used, but it was unsuccessful. Mutation was occurred on the nSC4+ plasmid during the selection. Maybe the stress of the yeast cells was too strong and then induced the mutation in the yeast cells. Using a weak promoter and reducing the copy number of the plasmid may avoid the mutation occur during the selection. The endosperm of Ricinus communis L. stores lipid and converts it to sucrose for the growth of seedlings. Sucrose phosphate phosphatase gene, RcSPP1, was cloned from the endosperm of the germinating seedling of Ricinus communis L. The endosperm cells synthesize sucrose by using SPS and SPP rather than sucrose synthase. Northern blot analysis indicated that the RcSPP1 expression level of the germinating endosperm was very similar from day 2 to day 6. The expression of nsLTPc1 is cotyledon-specific. It is also confirmed by in situ hybridization. The results of nsLTPc1 in situ hybridization indicate that the expression of nsLTPc1 was a cell-specific. The expression of nsLTPc1 was found only in the lower side of the cotyledons of Ricinus communis L. The expression of RcSCR1 is found in the endosperm, hypocotyl and cotyledons of the Ricinus communis L. germinating seeds. By northern blot analysis of the RNA from different days old endosperm, it indicates that the RcSCR1 has a highest expression level at day 5. By in situ hybridization and immunolocalization, the results illustrate that the mRNA and protein can be found in the lower epidermis of cotyledons from day 2 to day 5. In the 6-day-old cotyledons, the mRNA and protein of RcSCR1 are predominantly found in palisade parenchyma cells, but they are also found in the lower epidermis of cotyledons. The results of in situ hybridization indicate that the transcript of RcSCR1 can be found in most of the endosperm cells. RcSCR1 can be found in the middle layer of the endosperm from day 2 to day 5, no transcript of RcSCR1 is found in the cell layers near the seed coat. On the day 6, no RcSCR1 transcript can be detected in the endosperm cells. It is suggest that the function of RcSCR1 protein is to retrieve the sucrose from apoplastic space to avoid sucrose escape. Compared to the amino acid sequence of known sucrose transporters, the putative sucrose transporter of Ricinus communis , RcSCR2, belongs to SUT4 subfamily. The transcript of RcSCR2 is found in the endosperm, hypocotyl and cotyledons of the Ricinus communis L. germinating seeds. The expression of RcSCR2 is very weak. The expression level of RcSCR2 cannot be detected by northern analysis. By quantitative real time RTPCR, it indicates that the RcSCR2 has a highest expression level at 3 day. By in situ hybridization, the results illustrate that the mRNA cannot be found in the endosperm, cotyledons and hypocotyl. The results of in situ RTPCR indicate that the transcript of RcSCR2 can be found in most of the endosperm cells. RcSCR2 can be found in the middle layer of the endosperm from day 2 to day 5, no transcript of RcSCR2 is found in the cell layers near the seed coat. On the day 6, no RcSCR2 transcript can be detected in the endosperm cells. Although RcSCR2 in yeast does not function properly, but it shares high homology to other SUT4 type transporters, so they may have the same function to take up sucrose into cells. It is suggest that the function of RcSCR2 protein is to retrieve the sucrose from the apoplastic space to avoid sucrose escape. How the expression of RcSCR1 and RcSCR2 is regulated in the endosperm is still unknown. Sugarcane is a very important food crop. Sugarcane yellow leaf virus leads to sugarcane yellow syndrome and reduces the sugar production. Starch accumulation was found in the virus-infected plants. Within the starch staining, the results indicate that starch is accumulated in bundle sheath cells and mesophyll cells of virus -infected plants, however, starch can be found only in the bundle-sheath cells of virus-free plants. The in situ hybridization study indicates that the expression of ADP-glucose pyrophosphorylase in the mesophyll cells of virus-infected plant is stronger than it in virus-free plants. The results of in situ hybridization of starch branching enzyme indicates that no significant difference between the virus-free-plants and virus-infected. The results are different to it of starch staining. The mechanisms are still unclear, more carbohydrate metabolism related genes must be studied.
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Direkte Messung und Bewertung des nebelgebundenen Eintrags von Wasser und Spurenstoffen in ein montanes Waldökosystem
(2004)
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Thomas Wrzesinsky
- Der nebelgebundene Eintrag von Wasser und Spurenstoffen kann in den Bergwäldern Mitteleuropas eine wichtige Rolle spielen. Die Quantifizierung dieses Eintrags stieß jedoch in der Vergangenheit auf messtechnische Grenzen. Nach der Entwicklung und Erprobung eines Systems aus einem Tropfenspektrometer zur schnellen Messung der Größenverteilung (40 Tropfengrößenklassen zwischen ø1,5 und 50 µm) im Nebel und einem Ultraschallanemometer zur Bestimmung des vertikalen Windes konnten an der Ökosystemmessstation „Waldstein“ von April 2001 bis März 2002 Messungen zur Nebelwasserdeposition durchgeführt werden. Zusätzlich wurden die Sichtweite und die chemische Zusammensetzung (pH, elektrische Leitfähigkeit, Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Cl–, NO3–, SO42– und PO43–) des Nebelwassers gemessen. Zur Sammlung von Nebelwasser wurde ein aktiver beheizbarer Nebelsammler entwickelt und parallel zu den Wasserflussmessungen eingesetzt. Die Proben wurden automatisch alle acht Stunden genommen. Die Sammelmengen betrugen im Median 249 ml und erlaubten die gewünschten chemischen Analysen. Im Untersuchungszeitraum waren 223 Nebeltage zu verzeichnen. Der Nebelanteil betrug 25,7 %. Für die Qualitätskontrolle der gemessenen Flüsse wurden die Daten auf Stationarität und Turbulenz überprüft und der Datensatz entsprechend angepasst. Die Messung der Nebeldeposition im Untersuchungszeitraum ergab einen Eintrag von 108 kg ha–1 a–1 Wasser für die turbulente Deposition und 17 kg ha–1 a–1 für den Eintrag über Sedimentation. Der turbulente Eintrag dominiert also mit ca. 86 % die Nebeldeposition. Die Summe aus beiden Eintragsarten entspricht einem Nebelniederschlag von 125 mm p. a. Eine klare Saisonalität der Nebelwasserflüsse ist erkennbar. Die höchsten Nebelniederschläge sind im Spätherbst und im Winter zu verzeichnen, monatlich bis zu 24 mm (Januar) wurden gemessen. Die geringste Nebeldeposition wurde im August mit ca. 1 mm gemessen. Die ermittelten Tropfenspektren zeigen bei der Anzahlverteilung Maxima bei 2, 6 und 9 µm sowie ein Maximum von 12 µm in der Massenverteilung. Für die Massengrößenverteilung sind Verteilungen mit Maxima bei 9, 12 und 15 µm häufig. Die gemessenen Flüssigwassergehalte lagen bei einem Median von 156 mg m–3 und erreichten Maxima von 2639 mg m–3 (5-min-Mittel). Den größten Anteil am Fluss hatte die Größenklasse von 14,5 bis 15,5 µm Tropfendurchmesser. Tropfen kleiner 7 µm wurden effektiv emittiert, die größeren deponiert. Die im Untersuchungszeitraum gefallene Menge an Regen und Schnee beträgt 1414 mm. Der Anteil des Nebels am atmosphärischen Eintrag von Wasser beträgt demzufolge etwa 8 %. Für insgesamt 253 Nebelereignisse wurden im Untersuchungszeitraum Proben gewonnen. Außerdem wurden zum Vergleich auf wöchentlicher Basis wet-only-Proben genommen. Die Konzentrationen in Nebel- und Regenwasser sind hoch variabel. Die Mediane liegen im Nebelwasser bei pH 4,14, 621 µeq l–1 für NH4+, 487 µeq l–1 für NO3– und 321 µeq l–1 für SO42–. Diese 3 Hauptionen machen ca. 87 % der Gesamtkonzentration aus. Die Konzentrationen im Nebelwasser sind deutlich gegenüber dem wet-only-Niederschlag erhöht. Die Anreicherungsfaktoren sind 18,1 (NH4+), 13,1 (NO3–) bzw. 11,5 (SO42–). Der nebelgebundene Eintrag der wichtigsten Ionen wurde aus der Konzentration und dem Nebelwasserfluss errechnet. Die eingetragenen Mengen sind 9,8 kg ha–1 für NH4+ (7,9 kg ha–1 für wet-only), 27,9 kg ha–1 für NO3– (25,1) bzw. 14,0 kg ha–1 für SO42– (15,0). Die durch feuchte oder okkulte Deposition eingetragene Menge ist für diese Ionen also im gleichen Größenbereich wie die Menge aus Regen und Schnee. Der Stickstoffeintrag beträgt insgesamt 13,9 kg N ha–1 a–1 (11,8 für wet-only). Der im Unterschungszeitraum durch den Bestandesniederschlag gemessene Eintrag von Stickstoff liegt bei 23,3 kg N ha–1 a–1. Die Differenz aus Bestandesniederschlag einerseits und wet-only und Nebel andererseits liegt mit –0,9 kg N ha–1 a–1 nahe Null. Zusätzliche Einträge sind durch die trockene Deposition (z. B. durch partikuläres Nitrat und Salpetersäure) zu erwarten. Der Umsatz von Stoffen im Kronenraum spielt dann eine wichtige Rolle in der Schließung der Ökosystembilanz für die verschiedenen Stoffe.
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Untersuchungen zur Diffusion und Reaktion von Kohlenstoff auf Nickel- und Eisenoberflächen sowie von Beryllium auf Wolfram
(2004)
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Almut Wiltner
- Die chemische Wechselwirkung und die Diffusion von dünnen C-Schichten auf Ni- und Fe-Oberflächen sowie von Be-Schichten auf polykristallinen W-Substraten werden mit der oberflächensensitiven Analysemethode Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Dabei erfolgt die Schichtdeponierung aus der Gasphase durch Elektronenbeschuß eines Graphitstabs bzw. von metallischem Be, das in einem BeO-Heiztiegel vorliegt. Die C-Schichten werden auf Ni(100), Ni(111) und Fe(110) deponiert. Diese Substratoberflächen repräsentieren sowohl die dichtesten als auch offene Atomanordnungen. Die Bildung der entsprechenden Ni- und Fe-Carbide verläuft in einer endothermen Reaktion. Die Carbidbildung und C-Diffusion werden vom untersuchten Substrat und der jeweiligen Oberflächenatomanordnung beeinflußt. Die bei Raumtemperatur aufgebrachten C-Schichten werden mit XPS analysiert. Im C 1s-Signal wird hauptsächlich elementarer C nachgewiesen. Dieser nicht reagierte C besteht aus dem graphitischen und dem ungeordneten Anteil. Obwohl die Carbidbildungsreaktionen endotherm sind, wird auf allen untersuchten Substratoberflächen zusätzlich ein Carbidanteil nachgewiesen. Dieser Anteil ist auf das unmittelbare Interface limitiert und wird mit der Bildung eines Oberflächencarbids erklärt. Die C-Schichten werden nachfolgend geheizt. Dabei werden zwei experimentelle Verfahren angewandt. Im Verfahren I werden die Proben in Schritten von 50 bzw. 100 K bis zu einer Temperatur von 970 K für jeweils 10 bzw. 30 Minuten geheizt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden die Systeme nach jedem Heizschritt mit XPS analysiert. Im thermischen Verhalten zeigen sich dabei verschiedene Phasen. Das anfänglich gebildete Carbid wird zunächst zersetzt (Phase I, 370-570 K), die C 1s-Signalintensität des elementaren C-Anteils nimmt entsprechend zu. Im weiteren Temperaturverlauf wird die Phase II (>370 K) identifiziert. In dieser Phase nimmt der ungeordnete C-Anteil ab, die Signalintensität des graphitischen Anteils steigt entsprechend an. Diese Reaktion wird als Umordnungsreaktion des elementaren C-Anteils bezeichnet. Phase I und II werden auf allen Substratoberflächen im gleichen Temperaturbereich beobachtet. In Abhängigkeit von Substrat und der untersuchten Oberfläche setzt die C-Diffusion (Phase III) ein. Auf Fe(110) die C 1s-Signalintensität bei 620 K ab, gefolgt von Ni(100) bei 670 K und Ni(111) bei 770 K. Der C-Verlust innerhalb dieser Phase führt zu einer Abnahme des C 1s-Signals innerhalb von 200 K. An der Oberfläche ist nach diesem Temperaturbereich eine C-Restbedeckung von weniger als einer Monolage nachweisbar. Zur Ermittlung der kinetischen Parameter (Aktivierungsenergien) für die identifizierten Phasen werden C-Schichten im Heizverfahren II untersucht. Dabei werden die jeweiligen Systeme für mehrere Stunden bei ausgewählten Temperaturen gehalten und dabei mit XPS analysiert. In diesem experimentellen Heizverfahren kann zusätzlich die endotherme Carbidbildungsreaktion, die im Verfahren I nicht eindeutig zu identifizieren ist, charakterisiert werden. Die in beiden Verfahren ermittelten Reaktionen werden sowohl vom untersuchten Substrat als auch von der vorliegenden Struktur beeinflußt. Da die gebildeten Carbide durch die Einlagerung von C-Atomen in das Metallatomgitter entstehen, geht diese Reaktion mit der C-Diffusion einher. Die Be-Schichten werden auf polykristalline W-Substrate deponiert. Das Be 1s-Signal weist hauptsächlich metallisches Be auf. Bereits bei Raumtemperatur wird sowohl im Be 1s- als auch im W 4f-Signal eine Be-W-Mischphase nachgewiesen. Diese Mischphase wird mit der Bildung einer Oberflächenlegierung erklärt. Im Be 1s-Signal wird außerdem ein oxidischer Anteil nachgewiesen. Das thermische Verhalten der Be-Schichten ist abhängig von der anfänglich deponierten Schichtdicke. Dünne Filme (bis 1.2 nm) weisen bis 970 K eine konstante Schichtdicke auf. Werden Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von 1.2-3.0 nm aufgebracht, nimmt die Be-Menge ab 670 K innerhalb weniger Minuten deutlich ab. Die nach den Heizschritten bis 970 K an der Oberfläche verbleibende Be-Schichtdicke (1.0-.2 nm) ist mit den zuvor erwähnten dünnen Filmen vergleichbar. Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von mehr als 3.0 nm zeigen eine wesentlich langsamere Abnahme der Schichtdicke bei vergleichbaren Temperaturen. Nach dem letzten Heizschritt bei 970 K ist die verbleibende Schichtdicke größer als 1.4 nm. Unabhängig von der Schichtdicke nimmt die Intensität des Legierungsanteils im Be 1s- und W 4f-Signal ab 670 K zu. Das stöchiometrische Verhältnis des Legierungsanteils in beiden Signalen deutet auf die Bildung von Be(2)W(1) hin. Nach Abschluß der Heizexperimente weisen Tiefenprofile auf eine Be-Diffusion, die auf die Be-W-Mischphase begrenzt ist, hin. Der Verlust des Be wird entsprechend mit der Be-Desorption erklärt.
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Biologieunterricht im Naturkundemuseum im Spannungsfeld zwischen Instruktion und Konstruktion – eine empirische Untersuchung zu kognitiven und affektiven Lerneffekten (am Beispiel des Umweltschutz-Informationszentrums Lindenhof in Bayreuth)
(2004)
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Matthias Wilde
- 1. Auf der Erkenntnistheorie des Konstruktivismus basierend, existieren unterschiedliche Lerntheorien des Konstruktivismus. Nach der Position des gemäßigten Konstruktivismus von Reinmann-Rothmeier & Mandl (2001) wird das „Prozessmerkmal“ Selbstbestimmung als besonders wesentlich identifiziert und in einer empirischen Studie kontrolliert variiert. Die Untersuchung findet in einem außerschulischen Lernort, einem Naturkundemuseum, das beschrieben und in seiner didaktischen Bedeutung (einschließlich Lernziele) charakterisiert wird, statt. An 366 Gymnasiasten der fünften Jahrgangsstufe wird auf kognitiver und affektiver Ebene die Lernwirkung dieses Faktors in einer eintägigen Intervention evaluiert. Die Schüler durchlaufen im „Museumsunterricht“ entweder ein weitgehend selbstbestimmtes (S-Gruppe), ein fremdbestimmtes (F-Gruppe) Treatment oder eine Mischform aus Selbst- und Fremdbestimmung (SF-Gruppe). 2. In einem Vortest-Nachtest-Design mit Follow-up-Test nach 40 Tagen (Vortest, Nachtest I und II) werden die kognitiven Leistungen der Probanden mit zwei Messinstrumenten, einem Haupttest aus Items mit Antwortvorgaben (Multiple-Choice Test) und einem Nebentest mit Items ohne Antwortvorgaben (offener Test) bestimmt. Die affektiven Bewertungen der Schüler werden in den Nachtests ebenfalls mit geschlossenen und offenen Formaten erfasst. 3. Die zentralen Fragen nach der affektiven Wirkung und dem kognitiven Lernerfolg sind differenziert zu beantworten: a) Auf affektiver Ebene unterscheiden sich die Schülereinschätzungen der drei Treatments unabhängig vom Messinstrument kaum. In allen Gruppen (Gesamt- und Treatmentgruppen) sind die Bewertungen zu Museumsbesuch insgesamt und Elementen dieses Unterrichts im Nachtest I sehr positiv, im Nachtest II kaum geringer. b) Auf kognitiver Ebene zeigen beide Messinstrumente für die Gesamtgruppe aller Schüler Erwerb, Persistenz aber auch Vergessen von Wissen an. Der Museumsbesuch führt somit zu bleibendem Lernerfolg. Bei der Betrachtung der Treatmentgruppen unterscheiden sich die Ergebnisse der beiden Messinstrumente grundlegend: - Im offenen kognitiven Test sind die Schüler des selbstgesteuerten Treatments am besten. Die beiden anderen Gruppen fallen dagegen deutlich ab, unterscheiden sich untereinander jedoch nicht. Im Nachtest II verschwinden alle Unterschiede zwischen den Treatmentgruppen. - Im Multiple-Choice Test führt das mittlere Treatment in beiden Nachtests zu den besten Resultaten. Die fremdbestimmten Probanden zeigen nur im Nachtest I akzeptablen Lernerfolg, im Nachtest II dagegen schlechtere Ergebnisse. Auch das selbstgesteuerte Treatment schneidet in beiden Nachtests relativ schwach ab. Eine entsprechende Analyse deutet darauf hin, dass hier eine Beeinträchtigung dieser Treatmentergebnisse resultierend aus Itemkonstruktion und einem der Grundfrage der Untersuchung immanenten Dilemma zurückzuführen sein könnte. c) Entscheidende Auswirkung hat der Faktor Bekanntheit des Lindenhofs auf die Lernergebnisse des Multiple-Choice Tests. Obwohl die Schüler, die den Lindenhof schon vor diesem Museumsbesuch kannten, von einem höheren Kenntnisstand starten, ist das Niveau des Wissenszuwachses von Kennern und Nicht-Kennern in beiden Nachtests gleich hoch. Die Lindenhof-Nicht-Kenner reagieren in allen entscheidenden Punkten wie die Gesamtgruppe, die Kenner dagegen lassen kein Vergessen nachweisen, nicht in der Gruppe aller Kenner und nicht in den entsprechenden Gruppen der S-, SF- und F- Schüler. Besonders verwunderlich ist ein Fehlen von Treatmentunterschieden. Möglicherweise verfügen Lindenhof-Kenner über andere Strategien, sich das Museum zu erschließen, und werden darum von den Treatmentaufgaben weniger beeinflusst. 4. Unterrichtliche Konsequenzen der Untersuchung: a) Exkursionen zu einem Naturkundemuseum lohnen sich. Unabhängig von der Treatmentaufgabe führt der Unterrichtsbesuch zu dauerhaftem Lernerfolg und zu anhaltender positiver affektiver Gestimmtheit bezüglich dieses Besuchs. b) Je nach Absicht, sollte man für den Museumsbesuch ein passendes Treatment wählen: Soll es um planbaren Wissenserwerb gehen, einem Unterricht nach operationalisierbaren vorher festgelegten Anforderungen, so ist eine Mischform zwischen Selbstbestimmung und Fremdbestimmung zu empfehlen. Ein sehr deutlich gelenktes Vorgehen kann zu schlechten Behaltensleistungen führen. Ist die Vorbedingung der Planbarkeit verzichtbar, so kann selbstgesteuertes Lernen zu guten Ergebnissen führen und ist bedingt zu empfehlen. c) Die vorherige Bekanntheit des Museums bei Schülern sollte nicht von einem weiteren Besuch abhalten. Gerade in dieser Situation lernen Schüler besonders gut. Das Treatment spielt für diese Situation eine untergeordnete Rolle.
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Measuring juvenile hormone and ecdysteroid titers in insect haemolymph simultaneously by LC-MS: The basis for determining the effectiveness of plant-derived alkaloids as insect growth regulators
(2004)
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Stephanie Westerlund
- Aim of this thesis was to develop a liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) method to monitor hormones and their metabolites in the haemolymph of insects simultaneously. Furthermore, some plant-derived alkaloids were structurally elucidated, which may be used as insect growth regulators thus affecting haemolymph hormone titers in putative pest species. Juvenile hormones (JHs), JH diols and ecdysteroids were easily separated by high performance-liquid chromatography (HPLC) in less than 20 min using a reversed-phase C18 column and a methanol-water gradient. Subjecting the JH-JHBP (juvenile hormone binding protein) complex to HPLC was sufficient in releasing JH from the JHBP. In order to prevent JH from binding to glass surfaces, it was necessary to include a carrier in the solvent. JHs have a high affinity to polypropylene vials and should therefore be avoided, if no carrier is being used, such as triton X-100. The darkening of the haemolymph due to eumelanin production by phenol oxidases served as a visual indicator of general enzyme activity in the haemolymph. Isooctane:MeOH (1:1, v/v) inactivated the phenol oxidase system when used at a solvent-haemolymph ratio of 10. An isooctane:MeOH extract of haemolymph was most efficient in keeping JH distributed evenly in solution and prevented JH from adhering to the glass vessel. JH concentration in standard solutions was reduced with increasing sonication time. Highest ionization of JH was achieved in MeOH for MS compared to ACN or by using formic acid as an additive. In the positive ESI (electrospray ionization) mode the most abundant ions formed in haemolymph extract of Gryllus bimaculatus was the sodium adduct for JHs, JH diols and JH acids. At higher JH concentrations, the potassium adduct was also observed. The sodium and the potassium adducts were present in ecdysteroid analysis. The same ionization pattern was observed in Spodoptera frugiperda, Myrmicaria eumenoides and Acyrthosiphon pisum haemolymph. Method validation of the LC-MS method confirmed reproducibility and repeatability. The LODs for JHs and JH diols were between 6 to 12 pg, and 93 pg for ecdysteroids. 72 haemolymph samples can be processed per day by the LC-ESI-MS method using an autosampler. JH and ecdysteroid titer measurements showed good agreement between haemolymph titers and developmental events in Spodoptera frugiperda and Gryllus bimaculatus larvae and Gryllus bimaculatus adults. In Gryllus bimaculatus female and male last instar larvae, the JH titers were low and steady until day 6. The ecdysone peak maximum shifted from day 3 to a 20-hydroxyecdysone maximum peak on day 5, coinciding with the onset of adult ecdysis. JH III titers increased on day 3 in paired Gryllus bimaculatus males, occurring simultaneously with spermatophore maturation and deposition. A similar response was seen with ecdysone titers. Mated female crickets experienced a JH III titer increase on day 4 which coincides with egg deposit on day 4. Ecdysone titers reach a maximum on day 3 and ovary weights on day 4. Besides JH III, JH I was found in 5 to 8-day old female adult crickets, and in 6 and 7-day old male adult crickets. 20-Hydroxyecdysone was found neither in female nor in male Gryllus bimaculatus mated adults. The “classical” interplay between JHs and ecdysteroids was observed in 5th instar Spodoptera frugiperda larvae. JH titers decreased towards the end of the larval stadium and 20-hydroxyecdysone gave a sharp peak on the last day of the 5th instar. Extremely low levels of JH were measured in 6th instar larvae. 20-Hydroxyecdysone and ecdysone titers increased simultaneously in prepupae. The already known alkaloids arborinine and arborine, and the for the first time isolated 4-methoxy-1-methyl-2(1H)-quinolinone from Glycosmis pentaphylla, were extracted from Glycosmis pentaphylla leaves and are discussed as possible insect growth regulators affecting hormone titers in the haemolymph of insect pest species.
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Fouragierstrategien, Ressourcennutzung und Mortalitätsrisiken von Blattlausparasitoiden: Der Einfluss von Habitatsdiversität und Wirtsvorkommen
(2004)
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Manuela Weinbrenner
- Die Wirtssuche und das Eiablageverhalten von Blattlausparasitoiden (Hymenoptera: Braconidae) auf höherer räumlicher Ebene zeigten sich durch verschiedene Bedingungen des Habitatausschnittes wesentlich beeinflusst. Wichtige Faktoren waren die Dichte und Verteilung der Wirte, die Konstellation des Fouragierraumes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen, der Mehltaubefall der Wirtspflanzen und die Predation durch Spinnen. Außerdem resultierten erhebliche Differenzen zwischen Primärparasitoiden mit unterschiedlicher Wirtsspezialisierung. Ein interspezifischer Vergleich lieferte große Parallelen zwischen den beiden Spezialisten Aphidius tanacetarius (monophag) und Aphidius absinthii (oligophag), während sich die Fouragierstrategien und der Reproduktionserfolg von Aphidius ervi (polyphag) deutlich von diesen abhob. Die Wirtsdichte hatte erheblichen Einfluss auf das Fouragierverhalten der Parasitoide: • Mit zunehmender Wirtsdichte resultierten höhere Aufenthaltszeiten der Parasitoidenweibchen in dem Pflanzenbestand. Dieses Muster zeichnete sich mit steigender Wirtsspezialisierung stärker ab. • Sowohl A. ervi als auch A. absinthii verwendeten auf wirtsbefallene Pflanzen relativ mehr Suchzeit als auf unbefallene, bei A. tanacetarius war dies nicht der Fall. • Der Eiablageerfolg nahm bei A. ervi mit wachsender Wirtsdichte zu, während A. tanacetarius und A. absinthii allgemein geringe Eiablageraten zeigten. • Generell wurden lokalisierte Blattlauskolonien nur zu einem geringen Anteil parasitiert, v. a. aufgrund des Abwehrverhaltens der Wirte. Die räumliche Verteilung der Wirte nahm großen Einfluss auf den Erfolg der Parasitoide: • Das aggregierte Auftreten von Blattlauskolonien erhöhte den Such- und Parasitierungserfolg von A. ervi signifikant gegenüber der uniformen Verteilung. Ursache kann die evolutive Adaption der Parasitoide an die natürliche Verteilungsform ihrer Wirte sein. Die Zusammensetzung des Bestandes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen wirkte sich wesentlich auf die Wirtssuche der Parasitoiden aus. In Abhängigkeit von der Wirtsspezialisierung folgten unterschiedliche Fouragierstrategien: • Die polyphage Art A. ervi reagierte in Gegenwart von Nichtwirtspflanzen mit einer kürzeren Aufenthaltszeit als in reinen Wirtspflanzenbeständen. Tendenziell war dies auch bei den Spezialisten A. tanacetarius und A. absinthii ausgebildet. Im interspezifischen Vergleich ergaben sich höhere Aufenthaltszeiten mit reduziertem Wirtsspektrum. • Während A. ervi auch Nichtwirtspflanzen zu einem relativ hohen Anteil anflog, konnten diese von den Spezialisten weitgehend gemieden werden, am extremsten von der monophagen Art A. tanacetarius. • Allerdings konnte A. ervi die Besuchszeit auf Nichtwirtspflanzen gering halten, signifikant kürzer als auf Wirtspflanzen. Diese Fähigkeit besaßen die spezialisierten Parasitoidenarten zusätzlich zu dem Meiden ungeeigneter Pflanzen. • Der Sucherfolg fiel bei A. tanacetarius und A. absinthii unabhängig von der Zusammensetzung des Pflanzenbestandes gering aus. Dagegen hatte A. ervi insgesamt eine sehr viel höhere Erfolgsquote und einen stark reduzierten Sucherfolg in Anwesenheit von Nichtwirtspflanzen ab. Die Vorerfahrung erzeugte bei A. ervi beträchtliche Modifikationen der Wirtssuche: • Die Vorerfahrung mit dem der Fouragiersituation entsprechenden Pflanze-Wirt-System führte bei A. ervi Weibchen zu intensiviertem Suchverhalten und infolgedessen zu einer Erfolgssteigerung in der Parasitierung verfügbarer Wirte. Der Befall von Wirtspflanzen mit Echtem Mehltau (Erysiphe trifolii; Mycobionta: Ascomycetes, Erysiphales) modifizierte stark das Suchverhalten von A. ervi: • Bei Mehltaubefall resultierten signifikant kürzere Aufenthaltszeiten der Parasitoide als in gesunden Pflanzenbeständen. • Die Intensität der Suche war in Anwesenheit von Mehltau reduziert, indem eine signifikant geringere Anzahl von Pflanzen abgesucht wurde. • Als direkter Effekt des Mehltaus auf die Parasitoiden zeigte sich die Verhaltenskomponente "Putzen" gegenüber der Suche auf gesunden Pflanzen signifikant erhöht, verursacht durch die Kontamination mit Pilzsporen. Eine nasse Blattlauskutikula beeinträchtigte die Wirtserkennung von A. ervi-Weibchen: • Die Eiablagerate von A. ervi war bei nassen A. pisum mangels Erkennung signifikant reduziert. • Die Reduktion der Eiablage in nasse Wirte nahm mit der Zeit kontinuierlich ab, so dass die gewaschenen A. pisum bereits eine Stunde nach der Behandlung wieder uneingeschränkt parasitiert wurden. • Das gleiche Phänomen trat bei gewaschenen toten Blattläusen auf. Das Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen für Parasitoide: • Die Suche auf höherer räumlicher Ebene war für die Primärparasitoidenarten A. absinthii und A. ervi mit einem hohen Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen verbunden, während die Hyperparasitoidenart Dendrocerus carpenteri (Hymenoptera: Megaspilidae) dieser Gefahr nicht unterlag.
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Isolation and characterization of the B-type allatostatin gene of Gryllus bimaculatus de Geer (Ensifera, Gryllidae)
(2004)
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Junling Wang
- 1. Cricket B type allatostatins, which belong to a neuropeptide family sharing the conserved W(X)6Wamide structure, exhibited inhibitory functions on the biosynthesis of juvenile hormones (JH) in vitro in the corpora allata (CA) as well as on ecdysteroid biosynthesis in the ovary of adult crickets (Gryllus bimaculatus). To understand the mechanisms of function of the pleiotropic cricket B type allatostatins, it is necessary to characterize their gene (preprohormone) and study the spatial and temporal expression patterns of the gene. 2. By PCR screening of a random primer cDNA library and by RACE (Rapid Amplification of cDNA Ends), a 535 bp 3´cDNA sequence of the cricket B type allatostatin gene was yielded. This 3´cDNA fragment encodes a putative translation product of 85 amino acids with potential dibasic endoproteolytic cleavage sites, which may allow processing into six peptides including three copies of Grybi-AS B1 (GWQDLNGGWGa) and single copies of Grybi-AS B2 (GWRDLNGGWGa), Grybi-AS B3 (AWRDLSGGWGa), and Grybi-AS B6 (AWNNLGSAWGa), respectively. Three of these deduced peptides were previously isolated from cricket brain extracts by conventional chromatographic techniques and were designated as Grybi-AS B1, Grybi-AS B2, and Grybi-AS B3. The Grybi-AS B6 neuropeptide represents a novel member of the B type allatostatins. 3. The nucleotide sequences encoding the type B allatostatins are high in GC-content and show strong homology. The highest GC-content was found for Grybi-AS B3 with 83.3%. The similarity of the nucleotide sequences encoding Grybi-AS B2 and Grybi-AS B1 is 93.3%, whereas Grybi-AS B2 and B3 share 90% nucleotide identity. 4. By Southern blot analyses, it was proven that the Grybi-AS type B gene is present as a single copy per haploid genome of G. bimaculatus. 5. By RT in situ PCR technique, it could be demonstrated that the Grybi-AS B gene is expressed in various tissues of 1 day old female adult crickets: In the central nervous system the Grybi-AS B gene expression was detected in the brain. In the protocerebrum, strong positive signals were found in the median neurosecretory cells, and to a lesser extent in lateral neurosecretory cells and in neurons. Gene expression was also found in the neurosecretory cells of the deuterocerebrum and the tritocerebrum. Furthermore, Grybi - AS B gene expression was localized in neurosecretory cells of the suboesophageal ganglion (SOG), the thoracic ganglia, and the abdominal ganglia. In the germarium and in primary oocytes of the ovary, Grybi-AS B gene expression was detected as condensed signals in the nuclei, but not in the prefollicular cells or the cytoplasm. With ongoing development of the oocytes, the signals in the nuclei (germinal vesicles) appeared as separated granules with weaker intensity, which finally disappeared, whereas in the follicular cells strong signals became apparent. Grybi-AS B gene expression was also detected in the epithelial cells of the accessory reproductive glands of female crickets. In the caecum and midgut, Grybi-AS B gene expression was found in endocrine secretory and epithelial cells, whereas in the hindgut, positive RT in situ PCR signals were detected in both longitudinal and circular muscles and in the gut epithelial cells. Grybi-AS B gene expression was also found in cells of the fat body and in thoracic (flight) muscles. 6. The results on Grybi-AS B gene expression as obtained by RT in situ PCR were confirmed by RT-PCR and RNA dot blot analyses. The expression of the Grybi-AS B gene in various tissues of adult females varied in an age-dependent manner. In brains of virgin females gene expression increased from the day of emergence until day 8 of adult life. In the ovary of virgin females gene expression showed a maximum at day 4 after ecdysis, whereas in mated females gene expression was high during the first two days and at days 6 to 7, but low inbetween. In caecum and midgut of virgin females gene expression was low during the first 5 days after ecdysis, but peaked at days 6 and 7, whereas in the hindgut gene expression was highest at day 3 of adult life. In the fat body, gene expression showed highest values on day 1 and days 6 to 7 after ecdysis. 7. Gene expression in brain, testes, and accessory reproductive glands of 0 to 3 days old male crickets was also demonstrated by RT-PCR and RNA dot blot analyses.
