79 search hits
-
Water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected mature montane rainforest in South Ecuador
(2010)
-
Folkert Christian Bauer
- The number of previous hydrological studies concerning water flow paths in tropical montane rainforest is small. However, due to the increasing pressure of deforestation and land use change comprehensive knowledge of these natural ecosystems is needed if sustainable land use strategies should keep negative effects of human impacts on water flow paths as low as possible. In this context, present work addresses the identification, characterisation, and modelling of water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected natural Andean forest ecosystem in the south of Ecuador whose deforestation rate is one of the highest in South America. In an investigation area situated in the Andes of South Ecuador, in gentler slopes and altitudes above 2100 m ASL mainly Stagnosols and Histosols with stagnic colour pattern and low to negligible rock fragment content prevail. With increasing altitude the abundance of these soils increase, while the presence of Cambisols and Regosols is most pronounced below 2100 m ASL and clearly correlated with the slope angle. Therefore, these soils were mainly encountered in steeper, particularly landslide affected sites often resembling a melange of fine soil and high contents of rock fragments. Aside the investigation of the influence of the rock fragment content on soil hydrological- and physical parameters such as the relationship between rock fragment content and saturated hydraulic conductivity of the soil, present study aims particularly to investigate flow paths of water in soils of landslide affected and unaffected hillslopes. Therefore, we employed conventional field- and laboratory methods, dye tracer experiments including an appropriate image processing technique, as well as statistical models. Results show that both rock fragment content and bulk density control significantly, but not largely the saturated hydraulic conductivity of the mineral soils. Dye tracer experiments and soil parameters document a deeper percolation in the landslide affected hillslopes than in the landslide unaffected hillslopes, where we found preferential flow in root channels with low soil matrix interaction as dominant flow mechanism. A surface near quasi impervious layer along the interface between topsoil and subsoil limits percolation of the water giving the prerequisites of a lateral shallow subsurface flow along the interface between topsoil and organic layer. This is in line with previous studies performed in the same investigation area which already proved indirectly the existence of this flow. However, in none of these studies the shallow subsurface flow was assigned to certain slope inclinations or altitudes. Due to a recently published digital soil map and the results we obtained from the landslide unaffected sites, we know that particularly in hillslopes of less than 30 degrees above 2100 m ASL prerequisites are given for spatially extended shallow subsurface flow. However, even if these prerequisites are not evident for the landslide affected hillslopes, we cannot exclude the possibility of shallow subsurface flow occurrence here since soil cover of the steep terrain is relatively shallow while rainfall is high throughout the year. Therefore, and given that key parameters such as permeability of subsoil and bedrock, interception and evaporation remain unclear or were investigated exclusively such as the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity, we conducted a series of virtual experiments in order to assess the potential occurrence of shallow subsurface flow in Cambisols below 2100 m ASL. In these experiments we also included the organic layer being highly abundant in the investigation area, whose hydraulic parameters were estimated by means of inverse numerical modelling. The virtual experiments were based on a two dimensional finite element model representing a steep forested hillslope transect of approx. 54 m length. Aside soil properties, evapotranspiration and interception, the model included the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity, the pressure head and their spatial trends. The results of virtual experiment series show that a sound evidence of the key parameters aforementioned is obligate if process conceptualisation regarding shallow subsurface flow generation, but also landslide initiation, solute and matter transport is in the spotlight.
-
Advection at a forest site – an updated approach
(2010)
-
Lukas Siebicke
- The exchange of carbon dioxide (CO2) across the vegetation-atmosphere interface of a spruce forest was investigated. Horizontal and vertical advection are recognized as important terms of the Net Ecosystem Exchange (NEE) budget in addition to the commonly measured turbulent flux and storage flux. Direct advection measurements are challenging because of the instrumental accuracy required to observe small concentration gradients and small wind velocities and because of the spatio-temporal measurement resolution required to observe complex 3-D flow phenomena. This work presents an experimental multi-analyzer setup for the observation of horizontal CO2 concentration gradients with high temporal resolution and good spatial resolution with no tradeoff between the two. A statistical approach was developed to correct for inter-instrument bias by applying a conditional time dependent bias correction. This approach relies on properties of probability density distributions of concentration differences between one sample point and the spatial average of the sample point field. Sub-canopy CO2 concentration gradients observed with the above presented system showed a high spatial variability which was dependent on vegetation structure. Local concentration perturbations correlated with statistical properties of coherent structures and were explained by vertical exchange between CO2 enriched sub-canopy air and low concentration above-canopy air. The small-scale variability of CO2 concentration gradients brings into question the representativity of horizontal advection measurements for the control volume if observed with a low spatial resolution. Vertical advection estimates rely on accurate measurements of vertical wind velocity (w). Different procedures were applied during coordinate rotation to align the coordinate system of the sonic anemometer with the long-term stream lines. Spatial variability of the wind field was addressed by a sector-wise coordinate rotation. An investigation of temporal aspects of vertical wind velocity showed significant contributions from low frequencies in the spectrum of w. The impact of the data set length used for coordinate rotation on w and on vertical advection was investigated and observed to be large. A sequential coordinate rotation with controlled window length was proposed. Advection contributed significantly to NEE during the night and during transition periods at the Waldstein-Weidenbrunnen (DE-Bay) FLUXNET site. Daily NEE budgets were more realistic, compared to NEE from turbulent flux and storage change alone, if direct advection measurements from continuous and bias corrected gradient sampling were included, reducing the estimated daily carbon sequestration of the forest by almost 50 %.
-
Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae
(2010)
-
Mark Dürr
- Mitochondrien üben viele essentielle Funktionen in eukaryotischen Organismen aus. Ihre Aufgaben bestehen zum Beispiel in der Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch die oxidative Phosphorylierung sowie in der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien bilden ein Netzwerk, dessen Form sich hochdynamisch an spezifische Bedingungen und Änderungen im Metabolismus anpassen kann. Die Bedeutung einer intakten Dynamik wird dann offensichtlich, wenn man die Auswirkungen der Fehlregulierung dieses Prozesses betrachtet. Die Störung der mitochondrialen Fusion geht in Säugern mit einer Reihe von schweren Erkrankungen, wie Charcot-Marie-Tooth Neuropathie Typ 2A oder Dominanter Optischer Atrophie einher. Zudem spielen Mitochondrien und die mitochondriale Dynamik eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose). Die Fragmentierung der Mitochondrien ist dabei ein entscheidender Schritt beim Ablauf dieses Prozesses. Auch in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, einem fakultativ anaeroben eukaryotischen Organismus, spielen mitochondriale Teilung und Fusion eine wichtige Rolle bei der Apoptose. Bis heute sind jedoch kaum negative Auswirkungen fehlgesteuerter mitochondrialer Dynamik auf andere Prozesse wie Zelldifferenzierung oder Alterung in Hefezellen bekannt. In dieser Arbeit wurde der Effekt von gestörter mitochondrialer Teilung und Fusion auf die Sporulation von Hefezellen sowie auf deren Lebensdauer untersucht. Dabei wurde auch der Zusammenhang zwischen Apoptose und Zellalterung in Hefekulturen näher betrachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die Deletion von Mdm30 (mitochondrial distribution und morphology protein 30), einem Regulator des mitochondrialen Fusionsproteins Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), zu einer eingeschränkten Sporulationseffizienz sowie zu mitochondrialen Vererbungsdefekten in den einzelnen Sporen führt. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass eine intakte mitochondriale Dynamik ausschlaggebend für die Alterung von Hefekulturen ist. Die gleichzeitige Blockade der mitochondrialen Fusion und Teilung durch Deletion der Fusionskomponente Fzo1 und des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1 (dynamin-related protein 1) hat negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Hefekulturen. Der mitochondriale Fusionsdefekt führt zudem zu einer stark herabgesetzten chronologischen Lebensdauer verbunden mit verstärkter Apoptose der Hefezellen. Eine direkte Blockade der Apoptose durch die Deletion des proapoptotischen Faktors Yca1 (yeast caspase 1) führt ebenfalls zu einer Reduktion der chronologischen Lebensdauer von Hefekulturen. Interessanterweise verlängert die gleichzeitige Inkubation der Mutante mit wildtypischen Zellen die Lebensdauer der Δyca1-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Hefekulturen vom programmierten Zelltod einzelner Zellen profitieren können, was zu einer Verlängerung der chronologischen Lebensspanne führt. Obwohl Sinn und Nutzen des programmierten Zelltodes für S. cerevisiae immer noch kontrovers diskutiert werden, liefern die in dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse weitere Argumente für die Notwendigkeit der Apoptose für diese einzelligen Organismen.
-
Computing canonical heights on Jacobians
(2010)
-
Jan Steffen Müller
- The canonical height is an indispensable tool for the study of the arithmetic of abelian varieties. In this dissertation we investigate methods for the explicit computation of canonical heights on Jacobians of smooth projective curves. Building on an existing algorithm due to Flynn and Smart with modifications by Stoll we generalize efficient methods for the computation of canonical heights on elliptic curves to the case of Jacobian surfaces. The main tools are the explicit theory of the Kummer surface associated to a Jacobian surface, which we develop in full generality, building on earlier work due to Flynn, and a careful study of the local Néron models of the Jacobian. As a first step for a further generalization to Jacobian threefolds of hyperelliptic curves, we completely describe the associated Kummer threefold and conjecture formulas for explicit arithmetic on it, based on experimental data. Assuming the validity of this conjecture, many of the results for Jacobian surfaces can then be generalized. Finally, we use a theorem due to Faltings, Gross and Hriljac which expresses the canonical height on the Jacobian in terms of arithmetic intersection theory on the curve to develop an algorithm for the computation of the canonical height which is applicable in principle to any Jacobian. However, it uses several subroutines and some of these are currently only implemented in the hyperelliptic case, although the theory is available in general. Among the possible applications of the computation of canonical heights are the determination of generators for the Mordell-Weil group of the Jacobian and the computation of its regulator, appearing for instance in the famous Birch and Swinnerton-Dyer conjecture. We illustrate our algorithm with two examples: The regulator of a finite index subgroup of the Mordell-Weil group of the Jacobian of a genus 3 hyperelliptic curve and the non-archimedean part of theregulator computation for the Jacobian of a non-hyperelliptic genus 4 curve, where the remaining computations can be done immediately once the above-mentioned implementations are available.
-
Bedeutung der Baumart für die Aktivität, Diversität und Abundanz methanoxidierender Bakterien in temperaten Waldböden
(2010)
-
Daniela Degelmann
- Die mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der methanotrophen Lebensgemeinschaft zu bestimmen. Die Aufnahme von Michaelis-Menten-Kinetiken an intakten Bodenkernen bei konstanter Methankonzentration, Temperatur sowie konstantem Matrixpotenzial ergab, dass die kinetischen Parameter Vmax(app) und KM(app) in Fichtenwaldböden bis zu 65% niedriger waren als in entsprechenden Buchenwaldböden. In situ Methanaufnahmeraten und atmosphärische Methanoxidationsraten gestörter Bodenproben waren in Böden unter Fichte ebenfalls niedriger. Die maximale methanotrophe Aktivität war im Oa-Horizont (Buche) oder in den ersten fünf Zentimetern des Mineralbodens lokalisiert. Unter Fichte wurde im Oa-Horizont keine Methanoxidation detektiert. Im Oi- und Oe-Horizont wurde in keinem der beiden Waldbodentypen methanotrophe Aktivität verzeichnet. Die Gasdiffusion durch die organische Auflage der Böden, der pH-Wert und die Ammoniumkonzentration waren in beiden Waldbodentypen ähnlich und schieden somit als regulierende Faktoren für die atmosphärische Methanoxidation in Laub- und Nadelwaldböden aus. Die Produktion von Ethylen unter oxischen Bedingungen war vernachlässigbar, so dass Ethylen ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. β-Pinen, welches in Fichtennadeln und -wurzeln vorkommt und eine sehr hohe inhibitorische Wirkung auf die Methanoxidation zeigt, inhibierte die Oxidation von Methan in Bodenaufschlämmungen des Steigerwalds vollständig bei einer Konzentration, die dem Fünffachen der in situ Konzentration entsprach. Die von Fichten freigesetzten Monoterpene können die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden erklären. Der Einfluss der Baumart auf die Zusammensetzung der methanotrophen Lebensgemeinschaft wurde durch vergleichende Analyse der Gene der partikulären Methanmonooxygenase (pmoA) untersucht. Von den insgesamt 366 analysierten pmoA-Genen waren 82% Upland Soil Cluster alpha (USCα) zuzuordnen, dem global am häufigsten detektierten pmoA-Genotyp in Waldböden. Durch Vergleich der PmoA-Sequenzen mit den entsprechenden 16S rRNA-Gensequenzen bekannter methanotropher Isolate wurde ein distanzbasierter „Cut-off“ von 7% auf Proteinebene zur Differenzierung methanotropher OTUs auf Artenebene kalkuliert. Unter Anwendung dieses „Cut-offs“ konnten in Buchenwaldböden sieben OTUs innerhalb von USCα unterschieden werden. Außerdem wurden zwei tiefabzweigende Genotypen (Cluster 6 und Cluster 7) detektiert, die nur entfernt verwandt zu bekannten PmoA-/AmoA-Sequenzen waren. In Fichtenwaldböden waren dagegen nur vier USCα-OTUs sowie Cluster 6 detektierbar. Die erniedrigte Diversität Methanotropher in Fichtenwaldböden wurde durch statistische Analysen bestätigt. Genfragmente von mmoX und der pmoA von methanotrophen Verrucomicrobia wurden nicht detektiert. amoA-Gene mit hoher Verwandtschaft zur amoA von Nitrosospira briensis wurden gelegentlich kodetektiert. Die Abundanz der pmoA-Gene von USCα, der Anteil von USCα an der bakteriellen Gemeinschaft sowie die zellspezifische Aktivität von USCα waren in Böden unter Fichte niedriger als unter Buche. Die ermittelten Werte für die zellspezifische Aktivität von USCα lagen unterhalb des theoretischen Mindestwerts, der für das Überleben einer methanotrophen Zelle bei Oxidation von atmosphärischem Methan notwendig ist. Dies lässt vermuten, dass USCα neben atmosphärischem Methan auf alternative Kohlenstoff- und Energiequellen angewiesen sein könnte. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Disseration den Schluss zu, dass von Fichten freigesetzte Monoterpene die Aktivität, Diversität und Abundanz atmosphärischer Methanoxidierer reduzieren und so die atmospherische Methanaufnahme von Fichtenwaldböden verringern.
-
Exocrine glands in Erotylidae (Coleoptera, Cucujoidea): chemical ecology, morphology and evolution
(2010)
-
Kai Drilling
- In most insect orders chemical defence is highly important and a multiplicity of partly spectacular defence mechanisms were described in the last years. It is well known that members of the Erotylidae show a particularly rich equipment of exocrine compound glands. However, morphology and ultrastructure as well as the chemistry of the secretions of these compound glands remain unexplored so far. The cosmopolitan Erotylidae is assigned to the superfamily Cucujoidea (Clavicornia) of the Coleoptera-Cucujiformia and comprises about 3500 described species in 258 genera. Today the family includes both the phytophagous species of the former Languriidae and the mycophagous species of the former Erotylidae s. str. (now ranked as the subfamily Erotylinae). The adult beetles, as well as their larvae, are bounded to different bracket fungi or live under the bark. Most species are striking in appearance, frequently in combination with conspicuous patters of stripes, spots or rings. The present contribution deals with species of this coleopteran family and concerns altogether five different subject areas: (1) Morphological details of the internal structure and ultrastructure of the compound glands were examined in exemplar species of the family (Tritoma bipustulata, Triplax scutellaris) for the first time (SEM, TEM). Each compound gland consists of a central excretory duct and numerous identical gland units. These gland units are composed of two different cells, whereof one forms a cuticular ductule. Thus the glands belong to class III as defined by Noirot and Quennedey (1974, 1991). Furthermore, the glands offered two structural features (lateral appendix, the spongious wall of the ductus), which were previously not known from compound glands of beetles. (2) Hitherto hardly known was the ability of reflex bleeding in these species. The phenomenon is reported, for instance, from the closely related families Coccinellidae and Endomychidae. However, the hemolymph is not, like in the mentioned taxa, released from the joints of the leg, but from the abdominal tip. The chemistry of the reflex blood as well as the discharged secretion of the pronotal glands was examined by GC-MS for the first time. Biological effects of the identified compounds of both secretions were evaluated in bioassays and agar diffusion tests. (3) Furthermore, a study on the role of emitted fungal volatile compounds in recognition of the hostfungus by mycophagous beetles was conducted (GC-EAD, EAG). Beside the two erotylid-species (Tritoma bipustulata and Dacne bipustulata), mycophagous species of the families Tenebrionidae and Ciidae were included in this study. The scents of young as well as aged fungi were tested. The results imply that the species are able to discriminate between fungi of different ages as well as the degree of colonization. (4) Due to the multiplicity of different exocrine compound glands in Erotylidae (within the angles, as well as along the lateral margin of the pronotum, on the prosternal and mesoventral intercoxal processes, anteromesal to the compound eyes, on the subgenal braces, and rarely on the mentum), a comparative analysis on the occurrence of compound glands was carried out. 47 species were included in this analysis. The results were mapped on an existing phylogeny of the family and other phylogenetic hypotheses were discussed. Several glandular characters support the monophyly of the Erotylidae, Erotylinae as well as some tribes of the latter subfamily. Also the postulated position of Languria bicolor (Languriinae) within the Erotylinae is confirmed by glandular characters. (5) Finally, it was possible to identify Brachyserphus parvulus (Proctotrupidae) as a parasitoid of T. bipustulata. Members of this group of Hymenoptera are endoparasites in larvae of numerous families of the Coleoptera, Diptera and Lepidoptera. B. parvulus was hitherto known from species of Nitidulidae, Melandryidae, Phalacridae as well as the erotylid genus Triplax.
-
Modeling the exchange of energy and matter within and above a spruce forest with the higher-order closure model ACASA
(2010)
-
Katharina Staudt
- Multilayer SVAT-models that contain an advanced turbulence scheme are necessary for the detailed simulation of all relevant exchange processes above and within a forest canopy. The Advanced Canopy-Atmosphere-Soil Algorithm (ACASA) model incorporates such an advanced turbulence scheme, the third-order turbulence closure. This study presents the application of the ACASA model for a spruce forest at the Waldstein-Weidenbrunnen site in the Fichtelgebirge (Germany). The comprehensive micrometeorological and plant physiological measurements performed during the EGER project (ExchanGE processes in mountainous Regions) provided the necessary data base for this purpose, particularly eddy-covariance and sap flux measurements at several heights within the canopy. Thorough model tests were a main focus of this study and led to an improvement of the investigated model. This included both the exploration of the sensitivity and predictive uncertainty of the modeled fluxes and the analysis and correction of model errors that were encountered while working with the model. Furthermore, the ability of the ACASA model to reproduce measured quantities within and above the forest canopy was assessed, with an emphasis on the vertical structure of evapotranspiration and its components. To study the sensitivity and predictive uncertainty of the ACASA model, the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) methodology was employed for two five day fair weather periods. Here, the sensitivity of the sensible heat flux, the latent heat flux and the net ecosystem exchange above the forest canopy was assessed. This analysis allowed the identification of influential parameters for the three fluxes. The fluxes were strongly sensitive to only a few parameters while the problem of equifinality was revealed for many parameters. Equifinality is a common problem for complex process-based SVAT-models. The calculated uncertainty bounds showed the ability of the ACASA model to well reproduce the fluxes for two periods with different meteorological conditions. Furthermore, the results of the GLUE analysis indicated weaknesses in the model structure concerning the soil respiration calculations. The latest ACASA version includes multiple improvements in comparison to older model versions which were introduced after a comparison of modeled within- and above-canopy fluxes and turbulence statistics with measurements. The former version of the ACASA model did not explicitly close the energy balance. Rather, an error was included in the model output. This modeled error, however, did not agree with the measured residual at our site and was shown to reach substantial magnitudes depending on the value of the leaf area index. Thus, a method to ensure a closed energy balance for all layers in ACASA was introduced. Measured third-order velocity statistics were largely underestimated by the former ACASA version, which required correcting the calculation algorithms for the third-order moments in the latest ACASA version. Comparisons of third- and second-order velocity statistics showed that simulations of the latest ACASA version were improved but only partly reproduced measurements. Sap flux and eddy-covariance measurements at several heights within the profile provided estimates of all components of evapotranspiration of the forest and its vertical distribution. Canopy transpiration of the stand measured with the eddy-covariance technique delivered larger estimates than measured with the sap flux technique. Possible reasons for this mismatch are discussed, such as a contribution of evaporation from intercepted water that was still present at the beginning of the study period and differences between the eddy-covariance footprint and the area to scale up sap flux measurements. The modeled evapotranspiration components by ACASA compared well to these measurements when taking the uncertainties of these measurements into account. Also, modeled in-canopy profiles of canopy (evapo-) transpiration agreed well with measurements, with a better agreement of mean profiles for daytime, a partly and completely coupled canopy than for nighttime and a decoupled canopy. Largest contributions to canopy (evapo-) transpiration stem from the upper half of the canopy at daytime, whereas during nighttime, the contribution shifted towards lower parts of the canopy. Additionally, model simulations of the 3D model STANDFLUX were included in this study. This study revealed that the ACASA model is a powerful tool to simulate in detail a large range of the relevant exchange processes within and above a spruce forest site. At the same time existing weaknesses in the model code were identified that should be improved in future ACASA versions.
-
Algebraische Approximation von Kählermannigfaltigkeiten
(2010)
-
Florian Schrack
- Eine kompakte komplexe Mannigfaltigkeit heißt algebraisch approximierbar, wenn sie beliebig kleine projektive Deformationen besitzt. Eine natürliche Fragestellung ist, ob jede kompakte Kählermannigfaltigkeit algebraisch approximierbar ist. Während dies in Dimension 2 nach den Arbeiten von Kodaira richtig ist, hat Voisin vierdimensionale Gegenbeispiele gefunden. In Dimension 3 ist die Frage noch offen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den dreidimensionalen Fall etwas näher zu beleuchten. Dazu wird algebraische Approximierbarkeit zunächst von einem allgemeinen Standpunkt aus betrachtet. Es werden Funktorialitätsfragen untersucht, also der Zusammenhang zwischen algebraischer Approximierbarkeit der Quelle und des Ziels gewisser holomorpher Abbildungen, und Ergebnisse für verschiedene Klassen von Abbildungen erzielt, wie etwa Aufblasungen, endliche Abbildungen, Faserungen und Morikontraktionen. Als Fallstudie einer konkreten Klasse von Kählerdreifaltigkeiten werden anschließend Konikbündel über Kählerflächen untersucht, die in natürlicher Weise in der Moritheorie auftreten. Nach dem Beweis einiger grundlegender Tatsachen über Konikbündel werden ihre Diskriminantenorte genauer untersucht und damit Chernklassenabschätzungen für Konikbündel mit relativer Picardzahl 1 über nichtalgebraischen kompakten Kählerflächen hergeleitet. Unter Verwendung dieser Abschätzungen wird die Existenz infinitesimaler Deformationen solcher Konikbündel gezeigt, was einen wichtigen ersten Schritt zum Beweis der algebraischen Approximierbarkeit darstellt. Ein spezieller Typ von Konikbündeln sind die projektivierten Rang-2-Bündel. Die Periodenabbildung verhilft zu einem guten Verständnis der Deformationstheorie solcher Bündel über K3-Flächen und zweidimensionalen Tori. Konkret werden Fortsetzungssätze für Geradenbündel und Rang-2-Bündel bewiesen, die implizieren, dass jedes projektivierte Rang-2-Bündel über einer K3-Fläche oder einem zweidimensionalen Torus algebraisch approximierbar ist. Durch Untersuchung von Aufblasungen solcher Flächen wird dieses Resultat auf projektivierte Rang-2-Bündel über beliebigen kompakten Kählerflächen mit Kodairadimension 0 ausgedehnt. Schließlich wird die zuvor entwickelte Deformationstheorie für Vektorbündel verwendet, um weitere Approximierbarkeitsergebnisse für Konikbündel über elliptischen Flächen und K3-Flächen zu bekommen.
-
Parallele Implementierung und Analyse eines expliziten Adams-Verfahrens
(2010)
-
Konrad Ley
- Das Adams-Bashforth-Verfahren ist ein numerisches Verfahren zur Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen. In dieser Arbeit werden mehrere Implementierungsvarianten des Adams- Bashforth-Verfahrens vorgestellt, verglichen und analysiert. Zunächst arbeiten die Implementierungen sequentiell. Später werden die sequentiellen Implementierungen für den Einsatz auf einem Parallelrechner erweitert. Dabei wird besonderen Wert auf die Ausnutzung der Speicherhierarchie durch eine geschickte Organisation der Berechnungsreihenfolge gelegt. Außerdem wird bei der Synchronisation darauf geachtet, dass die Implementierungen auf Mehrkernprozessoren mit einer Shared-Memory- Architektur gut skalieren. Ziel ist die Ausführungszeit des Adams-Bashforth-Verfahrens zu minimieren.
-
Von der Faltung zur Funktion: Steuerung des Infektionsmechanismus filamentöser Phagen durch Faltungsprozesse und Beschleunigung oxidativer Faltung durch Thioloxidasen
(2010)
-
Stefan Lorenz
- Die filamentösen Phagen IF1 und fd sind eng miteinander verwandt. Dies spiegelt sich auch bei der Infektion von E. coli Zellen wider, die bei beiden Phagen nach einem Zweischrittmechanismus abläuft, der durch die jeweiligen Gen-3-Proteine (G3P) vermittelt wird. Im ersten Schritt bindet die N2 Domäne von G3P an den bakteriellen Pilus, beim Phagen IF1 an den I Pilus, beim Phagen fd an den F Pilus. Durch die spezifische Bindung an einen Pilus bestimmt die N2 Domäne von G3P die Wirtsspezifität des Phagen. Im zweiten Schritt der Infektion interagiert in beiden Fällen die N1 Domäne mit dem bakteriellen Rezeptor TolA-C. Die N1 Domänen der G3Ps beider Phagen binden mit demselben Bindungsmuster an die gleiche Stelle von TolA C, wie die Röntgenstrukturanalyse der beiden Komplexe zeigt. Der molekulare Mechanismus der Infektion unterscheidet sich, da die G3Ps der Phagen IF1 und fd eine verschiedenartige Domänenorganisation besitzen. Im G3P des Phagen IF1 stellen N1 und N2 zwei eigenständige und stabile Einheiten dar, die Bindungsstellen für den I Pilus und TolA-C sind daher permanent zugänglich. Das native G3P des Phagen fd liegt dagegen in einer geschlossenen, inaktiven Konformation vor, in der N1 und N2 fest miteinander assoziiert sind und die Bindungsfläche für TolA-C auf N1 in der Grenzfläche zwischen N1 und N2 verborgen ist. Erst die Bindung von N2 an den bakteriellen F Pilus führt zur Domänendissoziation, wodurch die Bindungsstelle für TolA C auf N1 zugänglich wird. Dieser komplexe Infektionsmechanismus des Phagen fd konnte in den einfacheren Infektionsmechanismus des Phagen IF1 überführt werden, indem die Domäneninteraktion durch die Deletion von sieben Aminosäuren im Gelenkbereich zwischen N1 und N2 aufgelöst wurde. Eine Erhöhung der Infektionsraten auf das Niveau des Referenzphagen fd wurde durch eine nachträgliche selektive Stabilisierung der N2 Domäne erreicht. Die Phagen fd und IF1 entwickelten unterschiedliche Strategien um Infektiosität und eine hohe thermodynamische Stabilität der G3Ps zu vereinen. In IF1 G3P bildeten sich zwei eigenständige, stabile Domänen aus, in fd G3P hingegen etablierte sich eine geschlossene Konformation, in der die labile N2 Domäne durch eine starke Assoziation mit der N1 Domäne stabilisiert wird. Die Notwendigkeit der Domänendissoziation in G3P während der Infektion durch den Phagen fd wurde durch die Konstruktion eines G3Ps nachgewiesen, in dem N1 und N2 durch eine Disulfidbrücke kovalent miteinander verknüpft sind. Diese Verknüpfung verhindert die Domänendissoziation und folglich die Infektion. Das Phagenkonstrukt mit dieser G3P Variante als Vermittler der Infektion ermöglicht eine steuerbare Infektion, die durch Reduktion der Disulfidbrücke induziert werden kann. Die Konstruktion von Disulfidbrücken wurde ebenfalls benutzt, um die Chaperondomäne der Peptidyl-Prolylisomerase SlpA zu stabilisieren. In weitergehenden Untersuchungen werden die Disulfidbrücken in das Volllängenprotein SlpA eingebaut, um die Auswirkung dieser entropischen Stabilisierung auf Funktion und Stabilität des Zweidomänenproteins analysieren zu können. Die Chaperondomäne der Peptidyl-Prolylisomerase SlyD, die in isolierter Form ungefaltet vorliegt, konnte ebenfalls durch den Einbau einer Disulfidbrücke stabilisiert werden. Die konformationelle Faltung dieser stabilisierten Variante ist strikt an die Ausbildung der Disulfidbrücke gekoppelt. Daher eignet sich dieses Protein hervorragend als Substrat, um die Beschleunigung der oxidativen Faltung durch Thioloxidasen zu charakterisieren. Die Effizienz der Katalyse der oxidativen Faltung korreliert dabei nicht mit dem Reduktionspotential der Faltungshelfer, sondern mit der Fähigkeit nicht-native Substratproteine über hydrophobe Bindungsflächen, hier Chaperondomänen, zu binden. Die Bindung nicht-nativer Substrate über Chaperondomänen, sowie ein geeignetes Reduktionspotential des katalytischen Disulfids, sind ebenfalls Voraussetzungen für eine Disulfidisomeraseaktivität von Faltungshelfern. Deshalb besitzen PDI und DsbC neben einer hohen Thioloxidaseaktivität auch eine hohe Disulfidisomeraseaktivität. Für diese Untersuchungen wurde ein sensitiver Test auf Grundlage der Reaktivierung fehlgefalteter RNase T1 und der Hydrolyse von Fluorophor-markierten Oligonukleotiden etabliert und zur Analyse von PDI, DsbC und DsbA eingesetzt. Mia40 ist eine neuartige Thioloxidase im Intermembranraum von Mitochondrien. Für Mia40 konnte die Kristallstruktur mit einer Auflösung von 2,3 Å gelöst werden. Mia40 zeigt keine strukturelle Ähnlichkeit zu bekannten Thioloxidasen. Wie viele andere Faltungshelfer wirkt Mia40 als Chaperon, in vitro verhindert es effektiv die Aggregation rückfaltender Citratsynthase. Mia40 zeigt in vitro lediglich Oxidase-, aber keine Disulfidisomeraseaktivität. Ob Mia40 in vivo ausschließlich als Thioloxidase wirkt, oder bei speziellen Substraten doch fehlerhafte Disulfidbrücken auflösen kann, ist noch unklar und Gegenstand weiterführender Forschungsarbeiten.
