In this thesis we apply methods from algebraic topology on questions from geometry, combinatorics and functional analysis. First we study amplituhedra – images of the totally nonnegative Grassmannians under projections that are induced by linear maps. They were introduced in Physics by Arkani-Hamed & Trnka (Journal of High Energy Physics, 2014) as model spaces that should provide a better understanding of the scattering amplitudes of quantum field theories. The topology of the amplituhedra has been known only in a few special cases, where they turned out to be homeomorphic to balls. Amplituhedra are special cases of Grassmann polytopes introduced by Lam (Current developments in mathematics 2014, Int. Press). We show that some further amplituhedra are homeomorphic to balls, and that some more Grassmann polytopes and amplituhedra are contractible. Next we study equipartitions of measures in a Euclidean space by certain families of convex sets. Our first result gives partitions of the ambient space into convex prisms – products of convex sets, that equipart a given set of measures, and our second result gives partitions of the Euclidean space by regular linear fans, that also equipart a given set of measures. The next result is a continuous analogue of the conjecture of Holmsen, Kynčl and Valculescu (Computational Geometry, 2017). For given a large enough family of positive finite absolutely continuous measures in the Euclidean space, we prove that there exists a partition of the ambient space, such that every set in the partition has positive measure with respect to at least c of the given measures, where we allow c to be greater than the dimension of the ambient Euclidean space. Additionally, we obtain an equipartition of one of the measures. The proof relies on a configuration space/test map scheme that translates this problem into a novel question from equivariant topology: We show non-existence of equivariant maps from the ordered configuration space into the union of an affine arrangement. Furthermore, we prove an extension of the Gromov’s theorem on the waists of spheres (Geometric and Functional Analysis, 2003). Gromov showed that for every n > k ≥ 1 and for every continuous map f : S n → R k from a sphere to a Euclidean space, there exists a point z ∈ R k , such that the volume of the tubular neighborhood of the inverse image f −1 (z) is at least as large as the volume of the tubular neighborhood of the (n − k)-dimensional equatorial sphere. We show that if the map f is Z p -equivariant for a prime p, and if the action of Z p on S n and R k satisfies certain properties, one can choose z in Gromov’s theorem to be the origin in R k . Finally, we study oriented matroid Grassmannians, also called MacPhersonians. An oriented matroid Grassmannian is the order complex of the set of all oriented matroids of a fixed rank and a fixed number of elements, ordered by weak maps. They were introduced by MacPherson (Topological Methods in Modern Mathematics, 1993), and firstly used by Gel’fand and MacPherson to give a combinatorial formula for Pontrjagin classes. For a given rank and a number of elements, the MacPhersonian is conjectured to be homotopy equivalent to the corresponding Grassmannian. We give some computational evidence in rank 3 and 4 that support the conjecture.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Theorie der Isokristallen, insbesondere mit zwei Vermutungen von de Jong und Deligne. Im ersten Teil zeigen wir über log erweiterbare Isokristalle von Rang 1 auf nicht-projektiven Varietäten: Wenn die zahme Fundamentalgruppe der Varietät trivial ist, dann sind alle solche Isokristalle trivial. Dies dehnt Ergebnisse von Esnault und Shiho aus.

Ferner, stellen wir die Menge der Isokristallen von Rang 1 auf einer projektiven Kurve als Unterraum des de Rham Modulraums von Simpson und Langer dar. Wir vergleichen die l-adische Kohomologie dieses Unterraums mit der l-adischen Kohomologie des Modulraums, indem wir Ergebnisse aus der Theorie von Berkovich verwenden. Wir beweisen damit eine Vermutung von Deligne.

Permeation processes of molecules through lipid bilayers have a high physiological relevance, and a theoretical description of such processes is essential for the understanding of transport mechanisms of drugs in human tissue. In experiments, only integrated permeation coefficients of membranes are accessible, hence computer simulations are necessary to obtain a position–resolved picture of molecular permeation. Since the bilayer interior is a highly viscous medium, the time scales of both the lipid relaxation and the molecule motion overlap, which induces memory effects to the molecule dynamics. The aim of this thesis is the analysis of the modifications of current models for the passive permeation if memory effects are considered. Since the lipid phase significantly determines the permeability of lipid membranes, we begin with a comparison of the hydration repulsion between membranes in the gel and fluid phase. We show that inconsistencies between experimental data from literature disappear if the interaction pressures are plotted as a function of the repeat distance instead of the water layer thickness. Subsequently, we compare our simulations to the converted experimental data and obtain quantitative agreement. We observe that the decay length of the hydration pressure in the gel phase is by a factor of two smaller than in the fluid phase. A decomposition of the hydration pressures into membrane–membrane interactions and water-mediated interactions reveals that these two contributions have opposite signs and are one order of magnitude larger than their sum. We conclude that in both phases the hydration repulsion is a result of a subtle interplay between the direct attraction of membranes and a slightly stronger water-mediated repulsion. In the second part we perform simulations of five different molecules in water, which we confine by harmonic potentials. We modified an existing iterative method from literature for the extraction of memory kernels from trajectories and applied it to compute the friction coefficients of the molecules. We observe that for all molecules the friction increases with the confinement strength due to changes in the long time tail of the memory kernel. The increase of the friction is amplified in water–glycerol mixtures as solvent, which are more viscous than pure water. This result is explained by a dynamic coupling between the solvent relaxation and the molecule diffusion, which emerges when both processes proceed on the same time scale. In the last part we compute the permeation coefficient of water through a lipid membrane. We first determine the free energy and diffusivity profiles of water inside the membrane using a description of the water dynamics based on the memoryless Fokker-Planck equation. We then apply our method developed in part two to calculate the memory kernels of water inside the membrane. The resulting diffusion coefficients are compared to the memoryless model and to literature values from simulations, yielding a reduction of the diffusivity by a factor of up to 20 in the membrane interior when memory effects are considered. This indicates that both the free energy as well as the diffusivity are equally important for the permeation process.

Zum Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Hygiene-Hypothese formuliert, die besagt, dass in den Industrieländern der Rückgang parasitärer und bakterieller Erkrankungen das Risiko erhöht Allergien oder Autoimmunerkrankungen zu entwickeln. In der Zwischenzeit wurde die Th2-dominierte Immunantwort gegen parasitäre Helminthen erforscht und deren Modulation durch Effektormoleküle aufgeklärt. Proteine und andere Moleküle der Helminthen sind verantwortlich für eine veränderten Immunreaktion, die gleichzeitig unabhängige Entzündungen reduzieren können. Basierend auf den immunmodulatorischen Eigenschaften und der Hygiene-Hypothese wurde überlegt, Helminthen, wie den Schweinepeitschenwurm Trichuris suis (T. suis), zur Behandlung von Allergien und Autoimmunerkrankungen einzusetzen. In initialen klinischen Studien wurden verringerte Krankheitssymptome nach der T. suis ova (TSO) Therapie für Patienten mit Colitis ulcerosa und Morbus Crohn nachgewiesen. Jedoch zeigten einige Studien, dass die TSO Behandlung zwar keine schädlichen Nebenwirkungen für Patienten hat, aber auch keine klinisch relevanten Verbesserungen bringt. Daher wird die Erforschung der TSO-Therapie in relevanten Krankheitsmodellen immer wichtiger. Unsere Arbeitsgruppe hat im Vorfeld gezeigt, dass sekretorische (excretory/ secretory ES) Produkte von T. suis Larven potente Immunmodulatoren in einem Modell der allergischen Atemwegserkrankung sind. Des Weiteren wurde auch in Krankheitsmodellen für entzündliche Darmerkrankungen und Multiple Sklerose eine positive Immunmodulation durch T. suis ES nachgewiesen. Deshalb war es Ziel dieser Arbeit, ES Proteine von T. suis Larven zu identifizieren, die möglicherweise unabhängige Immunantworten beeinflussen. Nach der rekombinanten Herstellung einzelner Proteine, sollten mögliche immunregulatorische Mechanismen aufgeklärt werden. Zu diesem Zweck wurden zehn potentielle Immunregulatoren im ES von T. suis L1 Larven ausgewählt. Von diesen wurden sechs Proteine rekombinant exprimiert und sowohl in vitro als auch in vivo getestet. In vitro Assays haben gezeigt, dass die LPS-induzierte Zytokinsekretion dendritischer Zellen (DCs) durch die Behandlung mit den rekombinanten Proteinen reduziert wird, wobei die Expression der DC-Oberflächenmarker nicht reguliert wurden. Von den 6 rekombinant exprimierten Proteinen milderte eines in vivo die allergische Atemwegserkrankung. Es wurde nicht nur die Eosinophilie in der Lunge und die Atemwegsresistenz reduziert, sondern sondern auch die Anzahl an interstitiellen Relm-alpha+ Lungenmakrophagen vermehrt. Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass dieses Protein (TsES1) eine funktionell aktive Chitinase ist, die eine für Chitinasen typischen Struktur besitzt. Da auch Mäuse Chitinasen und Chitinase-like Proteine (CLPs) produzieren, überraschten die Beobachtungen der Immunregulation durch die Behandlung mit einer Helminthenchitinase. Untersuchungen zum Mechanismus haben ergeben, dass die TsES1-Behandlung kreuzreaktive Antikörper und regulatorische B-Zellen induziert und diese möglicherweise als regulatorische Faktoren wirken. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen neue Regulationswege auf, die einen Beitrag zur Erforschung der TSO-Therapie leisten. Obwohl TsES1 vermutlich kein guter Kandidat ist, können möglicherweise einzelne immunmodulatorische Proteine zukünftig eine Infektion mit lebenden Helminthen als Therapie von Allergien und Autoimmunerkrankungen ersetzen.

The study and application of diatoms as biological indicators in Mexico is infrequent, despite the multiple advantages offered by these organisms in the assessment and monitoring of freshwaters. In the few diatom studies of Mexican freshwaters, there seems to be low species diversity and an inherent cosmopolitanism of taxa, contrary to what would have been expected of a megadiverse country. This was mainly because of 1) force-fitting identifications based on monographs from temperate regions and 2) the lone use of light microscopy for identifications, which not always differentiates between closely related species. In order to better assess the diatom diversity of the country and to set an identification baseline for future studies using diatoms as biological indicators, this dissertation presents an integrative approach to epilithic diatom diversity analysis in tropical streams from the Lerma-Chapala Basin, Central Mexico. This study is based on a representative sampling of diatoms from small, mostly undisturbed, mountain streams from the north and east sections of the basin, as well as samples from the west of the basin, which include the heavily polluted Lerma River and some of its major tributaries. Samples were collected during the most contrasting periods of the year, the rainy and dry seasons. In the first part of this work, the diatom samples of the small mountain streams from the north and east sections of the basin were cultivated for morphological, ecological, molecular and phylogenetic analysis. The morphological evaluation resulted in the largest diatom diversity reported for Mexico to date, 274 infrageneric taxa, including the description of two new species, Brachysira altepetlensis and Sellaphora queretana. The ecological analysis revealed that the community composition observed was mainly driven by the ionic composition of the water, with indicator taxa identified for the varying conditions in pH, conductivity and nutrients. Under the premise that diatom identifications at species level in environmental DNA (eDNA) metabarcoding studies rely heavily on the completeness of reference databases, a regional morphological and molecular taxonomic reference library was assembled by diatom cultivation. The eDNA metabarcoding approach tested here, which integrates molecular and tree-based phylogenetic methods, revealed a larger diversity than the one recorded by morphological analysis. One quarter of the taxa assigned to species level in the eDNA metabarcoding approach was attributable to the herein assembled taxonomic reference library, supporting the aforementioned premise. The use of a regional sequence reference database is to increase the identification success, particularly in poorly studied regions such as the tropics. By comparing the diversity retrieved by morphology and eDNA metabarcoding, it was found that neither morphology nor eDNA metabarcoding were a better method than the other in catching the entire diversity; they were rather complementary. The cultivation of diatoms revealed a concealed diversity not detected by morphology or eDNA metabarcoding, suggesting cultivation as a further method to unravel species diversity from environmental samples. The relative abundances recorded by morphology (diatom valves) and eDNA metabarcoding (sequence reads) showed large disparities, even after the application of correction factors. This suggests that further methodological improvements are needed in order to establish eDNA metabarcoding as a standard method for water analysis. Furthermore, the results presented here support the retrieval of DNA reference barcodes from High-Throughput Sequencing data. In the second part of this study all the samples, including those from the Lerma River and its major tributaries, were studied by microscopy (light and scanning electron microscopy) in order to prepare a detailed illustrated identification guide. The analysis resulted in 307 infrageneric taxa, with the description of ten new species, belonging to Cocconeis, Craticula, Gomphonema and Sellaphora. This identification guide represents the baseline for diatom identification in future monitoring studies and programs in the region. In the third part of this dissertation, the taxonomy and systematics of the Planothidium lanceolatum/P. frequentissimum species complexes were explored by morphological and molecular data obtained from clonal cultures and from sequences deposited at the INSDC databases. Besides Mexico, the analyzed strains came from France, Germany, the Faroe Islands, Korea, Lake Baikal in Russia, New Zealand and the USA. The analysis resulted in the recognition of eight species, with three described as new to science. Both molecular and morphology-based phylogenetic analyses led to postulate the sinus and cavum as important stable taxonomic characters. The fine-grained taxonomy applied in this study allowed to revisit the distribution of Planothidium frequentissimum and P. lanceolatum, taxa previously considered to be cosmopolitan. Morphological and molecular based approaches for the study of diversity are often seen as antagonistic, with morphology seen as methodologically outdated and time consuming while molecular methods are seen as a means of choice. However, the results of this study rather underline complementarity of both methods. The integrative approach to the study of diatoms presented in this dissertation allowed an improved assessment of the diversity of epilithic diatoms from the Lerma-Chapala Basin, Central Mexico, setting the baseline for future monitoring studies in this biodiversity rich but threatened region of Mexico.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Salzstress und/oder Besiedlung mit dem arbuskulären Mykorrhizapilz (AM) Glomus intraradices auf Pflanzen-wachstum und Pflanzengesundheit von Rebstecklingen der Unterlagssorte 5BB (Vitis berlandieri x riparia) in Gewächshausversuchen untersucht. Zu diesem Zweck wurden die folgenden ausgewählten Parameter überprüft:

• (a) Biomasseproduktion • (b) biochemische Veränderungen von Stressanzeigern wie Prolin- und Malondialdehydgehalt in den Weinrebenblättern • (c) Aufnahme von bestimmten Nährstoffen (Na+, K+, Ca2+, Mg2+ und P) • (d) Mykorrhizifierungsgrad der Rebwurzeln

Die präsentierten Daten in der vorliegenden Arbeit zeigten im Allgemeinen, dass die Biomasse der unterirdischen und oberirdischen Pflanzenteile durch AM G. intraradices bei den mykorrhizierten Reben im Vergleich zu den Kontrollpflanzen in allen Salzstufen signifikant erhöht werden konnte. Nur im ersten Vegetations-versuch ist bei oberirdischen Pflanzteilen (AM-Reben, ohne NaCl mykorrhizierte Pflanzen) keine statistisch gesicherte Steigerung der Biomasseproduktion im Vergleich zu den ohne NaCl kultivierten Kontrollpflanzen (Co.-Reben) zu beobachten.

Die Salzzugabe in den Gefäßversuchen mit unterschiedlichen Konzentrationen [(0 mM (AM und Co.),171 mM (AM I und Co. I) sowie 342 mM (AM II und Co. II)] hatte eine Abnahme der pflanzlichen Biomasse in den AM-Gruppen sowie in den Kontrollgruppen zur Folge. Die höchste Reduktion des Trockengewichts durch Salzstress lag in den Kontrollpflanzen zwischen Co. II und Co. mit 64.91 % (1. Versuch) und in den AM-Pflanzen zwischen AM II und AM mit 45.5 % (1. Versuch) bei den oberirdischen Pflanzteilen.

Bei höheren Salzkonzentrationen in den AM- und Kontrollpflanzen stieg gleichzeitig signifikant der Prolingehalt in den Blättern besonders in Kontrollreben im Vergleich zu den AM-Gruppen. Somit bestätigt sich die bedeutende Funktion von Prolin zum Schutz der Pflanzen gegen den Salzstress. Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass durch den Anstieg von NaCl eine höhere Malondialdehyd-Konzentration in den Weinrebenblättern der Kontroll-Reben in Vergleich zu AM-Pflanzen angesammelt wurde. Im Gegensatz dazu ist in Abwesenheit von NaCl bei den AM-Pflanzen lediglich ein tendenzieller Unterschied gegenüber den Co-Pflanzen zu beobachten.

Die Mineralstoffanalysen ergaben, dass NaCl auf die Nährstoffversorgung der Reben einen negativen Einfluss hat, sodass sich durch eine Erhöhung der Salzzufuhr die Konzentrationen des Na+-Gehaltes in den unterirdischen und oberirdischen Pflanzenteilen erhöhte, während der Gehalt an K+, Ca2+, Mg2+ und P in den Pflanzen abnahm. Mit steigenden NaCl-Konzentrationen im Boden war der Rückgang der K+- und Ca2+-Konzentration im Spross im Vergleich zu ohne Salz kultivierten Pflanzen beachtlich. Besonders eklatant war die Abnahme der K+- und Ca2+-Konzentration in den höchsten Salzstufen (AM II-Reben) gegenüber den AM-Reben (ohne Salz), so dass der K+-Gehalt um 37,2 % (3. Veg.) und der Ca2+-Gehalt um 25,7 % (2. Veg.) sank. Die Behandlungen der Reben mit AM auf salzigem Boden führte zu einer tendenziellen Steigerung von Kalium, Calcium, Magnesium und Phosphor in den Wurzeln und den oberirdischen Pflanzteilen im Vergleich mit Co-Reben. Sie sind aber nur teilweise statistisch abgesichert.

Die weiteren Ergebnisse zeigten, dass die Zunahme der NaCl-Konzentration eine Reduktion des Mykorrhizierungsgrades von Wurzeln in allen Vegetations-versuchen zur Folge hatte.

Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen führen zu der Schlussfolgerung, dass in dieser Pflanzenforschung der Mykorrhizapilz Glomus intraradices in Anwesenheit von NaCl einen positiven Einfluss auf die Entwicklung und die Gesundheit der Rebstecklingen der Unterlagssorte 5BB im Vergleich zur Abwesenheit von NaCl hat.

Understanding particle transport in hydrogels is an important step for the development of advanced drug delivery techniques. A large body of experimental research has shown that besides excluded volume effects and hydrodynamics, other nonsteric particle-gel interactions can also determine particle mobility in hydrogels. In this thesis, we aim to systematically investigate the effect of long-ranged repulsive or attractive particle-gel interactions on the particle mobility and to determine general particle diffusion mechanisms in hydrogels. For this, we present general models to simulate diffusion of particles in gels with different particle-gel interactions.

First, we introduce a model for the diffusion of particles smaller than the mesh size in hydrogels with electrostatic particle-gel interactions. The gel is comprised of a spatially ordered, cubic symmetric fiber lattice. The diffusive behavior is highly charge asymmetric: Particles are slowed down more strongly by attractive than by repulsive electrostatic interactions. Furthermore, the particle mobility is highly sensitive to the ionic strength, particularly for electrostatic attraction, in agreement with experimental data.

Second, we examine the effect of spatial disorder of the polymer lattice on the particle diffusive behavior. The effect of spatial disorder is linked to the presence of long-ranged particle-gel interactions. For repulsive interactions, an intermediate degree of disorder minimizes the particle mobility inside the gel but for high degrees of disorder, the diffusivity increases again. For attractive interactions, disorder slows down diffusion since particles are immobilized in regions with locally increased fiber density. A comparison between simulations with spatially disordered gels and published experimental data reveals qualitative agreement.

Third, we extend our model to simulate the diffusion of particles in heterogeneous gels with mixed electrostatically attractive and repulsive interaction sites, as relevant for biological hydrogels. Mixed interaction sites are modeled with a random distribution of attractive and repulsive fiber sections. Interaction disorder, in the form of randomly mixed interaction sites, and spatial disorder have a qualitatively similar effect on the particle diffusivity. Charged particles of either sign are immobilized, since attractive particle-gel interactions determine the diffusive behavior. Qualitative agreement between simulation and experiments carried out by our collaborators from the group of Prof. Dr. DeRouchey is found.

Finally, we examine the effect of hydrodynamic interactions in conjunction with long-ranged particle-gel interactions. %Agreement between simulation and experiment is improved when hydrodynamic interactions are included. Repulsive interactions decrease the effect of hydrodynamic interactions on the particle diffusivity, whereas attractive interactions increase the effect of hydrodynamic interactions, due to spatial particle-fiber correlations.

With our simulations we elucidate the effects of various model features such as spatial disorder, interaction disorder and hydrodynamic interactions on the particle mobility and the detailed microscopic mechanisms governing particle diffusion in hydrogels.

Das Parlamentsgebäude (1894–1902) in Bern zeugt vom Bundesstaat Schweiz – vom Architekten Hans Auer für die Ewigkeit geschaffen, von der Nachwelt lange verpönt, erfüllt es weiterhin seine ursprüngliche Funktion und dient zudem als Nationaldenkmal und Wahrzeichen. Der Bundesstaat errichtete nach der Gründung von 1848 vorerst keine eigenen Monumentalbauten, da er bis 1875 die Bundessitzverpflichtungen der Stadt Bern überließ und danach seinen Raumbedarf durch Ankauf oder Miete deckte. Erst mit der neuen Baustrategie von 1884 begann er, eigene Staatsbauten zu errichten und so staatliche Präsenz zu markieren.

Das Thema der Dissertation ist die politische Genese und Planung des Parlamentsgebäudes. Die Arbeit untersucht die Wirkungsabsichten der Akteure und erschließt die Mechanismen und Entscheidungsprozesse, die den Bau in den Rang eines Nationaldenkmals erhoben. Die Dissertation erforscht, inwieweit die Architekturwettbewerbe von 1885 und 1891 liberale Forderungen nach Gleichheit, Öffentlichkeit und freier Meinungsbildung erfüllten. Sie thematisiert zudem, inwiefern sich die Ideale des freiheitlich-demokratischen Bundesstaates auf die Planung und die Partizipationsmöglichkeiten von Parlament, Regierung und Stimmbürger auswirkten. Die Dissertation will damit einen Beitrag zur Erforschung der Geschichte des Nationaldenkmals, des modernen Architekturwettbewerbs und der Bauaufgabe Parlament leisten.

Chronic liver disease is a common clinical problem. Currently, the diagnosis is based on non-invasive techniques like e.g. fibroscan, MRI, elastography, on minimal-invasive techniques like e.g. liver transaminases, and on the invasive biopsy method. However, these aforementioned methods have several drawbacks. Briefly, non-invasive methods are usually not-sensitive to early chronic liver disease; whereas blood based liver enzymes are not specific for liver. Therefore, the gold standard for the diagnosis of hepatic diseases is the histological assessment of liver biopsies. The use of liver biopsies is, however, subject to sampling- as well as inter- and intra-observer variability. These limitations affect the diagnostic accuracy, reliability, and responsiveness of treatment end-points. Moreover, liver biopsies are risky for the patient because of potential bleeding, organ perforation and even death. Thus, an urgent medical need exists for reliable and highly accurate treatment end-point indicators that can replace liver biopsies. In this thesis the use of metabolite screening for diagnosis and staging is suggested to be used. It is well accepted that acute and chronic intoxications alter the regulation of liver metabolism at different levels. The blood or urine metabolome should therefore represent the final outcome of liver cellular regulation and the phenotype of a disease. The scope of this thesis is to establish and to validate marker(s) based on metabolite levels, both for the early diagnosis of liver diseases and for the prediction of liver disease progression. To achieve this goal, a metabolite screening for diagnosis and staging was performed to identify the presence and severity of inflammation and fibrosis in murine livers and blood. To characterize the metabolic alterations upon acute and chronic liver intoxications, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was employed. NMR is fully quantitative, highly reproducible, detects all metabolites simultaneously in one non selective measurment, it is non-invasive, non-destructive and allows for a complete recovery of the sample. Moreover, just a minimum of sample preparation with no need for derivatization is required. In order to induce acute toxic liver injuries, male C57BL/6N mice exposed to a single dose of CCl4 were used. Moreover, chronic liver damage was induced by repeated injections of CCl4 for 6 weeks. At specific time points both blood and livers of the mice were harvested. A control group received the same dose of just olive oil. Three to four mice were used for each group. Further, MDR2-/- mice (6 months old) were treated with Ly2157299 (Galunisertib; ALK5 inhibitor). ALK5 (TGFβ type I receptor kinase) was used to interfere with TGFβ signalling in MDR2-/- mice. Two groups of mice were used. Ly2157299 treated mice for 14 consecutive days (150 mg/kg) orally. The vehicle treated group received the same amount for 14 days orally. Two days after the last injection, both blood and livers were harvested. Biochemical parameters e.g. ALT and AST increased during disease progression upon CCl4 injection. This alteration was correlated with accumulation of extracellular matrix (ECM) and ECM-producing cells as indicated by picro-sirius red and alpha-SMA staining, respectively. These data give us a deep insight into the test models, where both acute and chronic liver damage were confirmed. Blood plasma-based metabolic profiling was performed. Surprisingly, some metabolites e.g. acetate, alanine, formate, glucose, glutamine, lactate and phenylalanine are considered very good predictors for chronic liver diseases - regardless to spatial (septal or biliary fibrosis) extracellular matrix- as indicated by AUC approximately 1.000. However, in the septal CCl4-induced fibrosis model betaine, citrate, glutamine and phenylalanine, however, in biliary fibrosis 3-Hydroxyisobutyrate, formate, glutamate, glycine, methionine and tyrosine can be used to stage the disease. These differences in metabolite levels can be explained by hepatic zonation of extracellular matrix deposition. It is generally accepted that in CCl4 induced injury, glutamine synthesis, glycolysis, tricarboxylic acid cycle and phase I as well as phase II drug metabolism are principally altered. Whereas urea formation, gluconeogenesis and oxidative phosphorylation are mainly affected in case of biliary fibrosis, further validation in clinical cohorts is absolutely mandatory and will be a followup story. My study shed light on the importance of the metabolites identified in septal and biliary fibrosis: i) Validation in clinical cohorts of circulatory based liver disorders (septal fibrosis) and cholestasis (biliary fibrosis); this provides the scientists working in the field of liver diseases with a list of biomarkers; ii) Molecular analysis of chronic liver disease progression and comparing this blood based metabolic profiling with liver tissue to mechanistically understand disease dynamics; and iii) Providing metabolism scientists with quantitative data for single metabolites in a time-dependent manner for further functional analysis.

In der vorliegenden Arbeit wurden Daten über die Prävalenz von Salmonella spp. in Futtermitteln und in Sammelkotproben auf einem chinesischen Schweinebestand erarbeitet sowie die biotechnologischen Behandlungsmöglichkeiten (Kompostierung und Biogasanlage), insbesondere hinsichtlich ihrer Hygienisierungseffizienz, überprüft. Ergänzend wurden Tenazitätsstudien zur Überlebensfähigkeit einer auf der Farm isolierten und dominierenden monophasischen Variante von Salmonella Typhimurium DT120 im Labor durchgeführt. Des Weiteren wurde die nasale Besiedlung der Schweine mit Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) untersucht. Zur Erfassung der Resistenzsituation in dem Schweinebestand wurden Empfindlichkeitstests gegenüber Substanzen mit antimikrobiellen Eigenschaften der nachgewiesenen Salmonellen-Isolate und MRSA-Stämme durchgeführt. In den Sammelkotproben konnte für Salmonella spp. eine hohe Prävalenz von insgesamt 50%, in den Mastschweineställen bzw. Sauenställen von 62% bzw. 31,5%, festgestellt werden. Das dominierende Serovar stellte eine multiresistente monophasische Variante von Salmonella Typhimurium DT120 dar. Daneben konnten in den Sauenställe zudem Salmonella Derby sowie vereinzelt die Serovare Senftenberg und Havana festgestellt werden. Die Prävalenz für eine nasale Besiedlung der Schweine mit methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) war ebenfalls hoch und lag bei ca. 90% in allen untersuchten Proben sowie bei ca. 98% bzw. 77% bei den Mastschweinen bzw. Sauen. Es wurde ausschließlich ein multiresistenter MRSA-Stamm mit dem spa-Typ t899, dem SCCmec-Typ IVb und dem MLST-Typ ST2136 festgestellt. Dieser wurde dem klonalen Komplex CC9 zugeordnet. Die mesophil bei 23°C bis 26°C betriebene Biogasanlage gewährleistete aus Sicht der Seuchenhygiene keine ausreichende Entseuchung der tierischen Exkremente des Schweinebestandes, da in den Substraten und den Gärresten verschiedene Salmonellen-Serovare in allen untersuchten Proben nachgewiesen wurden. In ergänzenden Laborversuchen zur Inkativierung der monophasischen Salmonella Typhimurium DT120 Serovar zeigten sich während der Langzeitlagerung (10°C) lange Überlebenszeiten in der Gülle und den Gärresten. Die aerobthermophile Kompostierung von Schweinekot und Maisstrohhäckseln stellt in China hinsichtlich der Inaktivierung des Testkeims Salmonella Senftenberg W775 (H2S negativ) sowie der erreichten Temperaturen in Anlehnung an die Bioabfallverordnung (BioAbV, 2012) eine adäquate biotechnologische Behandlungsmöglichkeit aus Sicht der Seuchenhygiene dar. In ergänzenden Erhitzungsversuchen im Labor zeigte sich eine vollständige Inkativierung bzw. Reduktion um fünf log10-Stufen für die monophasische Variante von Salmonella Typhimurium DT120 nach 18 stündiger Erhitzung bei +53°C, zweistündiger Erhitzung bei +60°C und einstündiger Erhitzung bei +70°C. Außerdem wurde die Inaktivierung bereits nach einer 18 stündigen Erhitzung bei +50°C in Gülle sowie einer vierstündigen Erhitzung bei +53°C und einer einstündigen Erhitzung bei +60°C in Gülle und physiologischer Kochsalzlösung erreicht.

Every plant cell is enclosed by a cell wall that controls its volume and shape. It provides structural support, tissue elasticity, and protection against pathogenic organisms. The sophisticated network of biomolecules that form the plant cell wall consists of proteins, lignin, and primarily of polysaccharides. The polysaccharides are structurally highly diverse, which makes the analysis of individual functions and interactions challenging. Well-defined probes of oligo- or polysaccharides would greatly facilitate these analyses but they are difficult to obtain from natural sources. Chemical synthesis is a powerful alternative to prepare these probes. One of the main components of plant cell wall polysaccharides is the hemicellulose xylan. Xylans possess a common backbone consisting of Beta-1,4-linked xylopyranoses which may be partially acetylated and substituted with arabinofuranosyl or (4-O-methyl)glucuronosyl residues. In chapter 2.1 a collection of oligosaccharides related to plant arabino- and glucuronoxylans was synthesized by automated glycan assembly, which is a powerful tool for the synthesis of oligosaccharide libraries. By iterative addition of different monosaccharide building blocks (BB) to a linker-functionalized resin, xylan oligosaccharides of different length and complexity have been obtained. Among these were Alpha-1,2- and Alpha-1,3-substituted arabino- and glucuronoxylan oligosaccharides. To enable selective substitution of the xylan backbone with arabinose and glucuronic acid units the xylose BBs were equipped with 2-(methyl)naphthyl (Nap) and 2-(azidomethyl)benzoyl (AZMB) groups that were used for the first time as protecting groups in automated glycan assembly. The glucuronoxylan oligosaccharides were obtained by using a glucose BB during oligosaccharide assembly that was afterwards converted in a two-step-oxidation procedure into the corresponding glucuronic acid. The synthetic oligosaccharides served as excellent tools for the characterization of binding epitopes of plant cell wall glycan-directed monoclonal antibodies and for determining the substrate specificities of cell wall-degrading enzymes. Monoclonal antibodies are used for high resolution imaging of plant cell walls, providing important information on the structure and function of cell wall polysaccharides. Using glycan microarray technology many binding epitopes were determined that were previously unknown with the help of the synthetic oligosaccharides. Cell wall-degrading enzymes are crucial for the deconstruction of lignocellulosic biomass, making the hydrolysis products available for various industrial applications. The substrate specificities of xylanases and arabinofuranosidases were determined by analyzing the digestion products after incubation of the synthetic oligosaccharides with these enzymes. In chapter 2.2 the synthesis of artificial arabinoxylan polysaccharides with defined substitution patterns is described. Polysaccharides from plant biomass are explored extensively as renewable resources for the production of materials and fuels. However, the heterogeneous nature of non-cellulosic polysaccharides such as arabinoxylan makes it difficult to correlate molecular structure with macroscopic properties. To study the impact of specific structural features of the polysaccharides on e.g. crystallinity or affinity to other cell wall components, collections of polysaccharides with defined repeating units are required. A collection of artificial arabinoxylan polysaccharides with systematically altered branching patterns was obtained by glycosynthase-catalyzed polymerization of glycosyl fluorides derived from arabinoxylan oligosaccharides that were procured either chemically, chemo-enzymatically, or from a commercial source. These artificial arabinoxylan polysaccharides, that are not accessible by other means, represent ideal probes for structure-property relationship studies. The crystallinity of the polysaccharides was qualitatively determined by powder X-ray diffraction, revealing that the specific substitution pattern has a higher impact on crystallinity of xylans than the degree of substitution. Experiments using quartz crystal microbalance with dissipation (QCMD) on a cellulosic surface indicated that polysaccharides carrying arabinose substituents, which are evenly spaced, adsorb more strongly to cellulose than arabinoxylans with other substitution patterns.

Zur Identifizierung von Veränderungen in der intrazellulären schmerzsensibilisierenden Signaltransduktion im Tiermodell der diabetischen Neuropathie wurden im Rahmen dieser Arbeit qualitative und quantitative Untersuchungen durchgeführt. Als Modell wurde das bereits etablierte, substanzinduzierte, diabetische und neuropathische Streptozotocin-­Modell der Ratte verwendet. Die durch Streptozotocin (STZ) entstandenen Veränderungen wurden zunächst in vivo anhand von Blutglukosemessungen und Schmerzverhaltensexperimenten analysiert, auch mit Hinblick auf die Stabilität des Modells. Anschließend wurden quantitative Analysen auf zellulärer Ebene durchgeführt. Neurone der Spinalganglien aus STZ-­Tieren wurden auf schmerzrelevante Eigenschaften untersucht und mit den aus Kontrolltieren gewonnenen Neuronen verglichen. Hierfür wurde die neuartige, in der Schmerzforschung noch nicht verbreitete High Content Screening Mikroskopie verwendet. Die in vivo Experimente zeigten, dass alle Tiere, die durch STZ eine Hyperglykämie entwickelten, auch eine Neuropathie entwickelten. Diese zeigte sich durch einen herabgesetzten Schwellenwert der Schmerzinduktion. Es zeigte sich aber auch, dass nicht alle Tiere, die STZ erhalten hatten, überhaupt Diabetes entwickelten. Ca. 50 % der Tiere, die STZ erhalten hatten, zeigten nach zwei Wochen keine Hyperglykämie und wurden von der Studie ausgeschlossen. Vereinzelt wurden diese Tiere zusätzlich als separate Gruppe untersucht, zeigten aber keine Abweichungen zu Kontrolltieren. Die zelluläre Analyse zeigte zunächst, dass es im STZ-­Modell weder zu einem ubiquitären Zellverlust, noch zu einem Verlust einer spezifischen Subgruppe in den Spinalganglien kommt. Die Subgruppenverteilung, gemessen an den Markerproteinen TRPV1, Nav1.8, CGRP, CamKIIα, IB4, RIIβ und NF-­200 stellte sich in beiden Phänotypen identisch dar. Zur Feststellung etwaiger Veränderungen in der intrazellulären Signaltransduktion wurden bekannte schmerzsensibilisierende Mediatoren verwendet und ihre Zielproteine PKA-­II und ERK1/2 untersucht. Die PGI2 induzierte Aktivierung von PKA-­II wurde anhand der phosphorylierten Untereinheit pRII gemessen und zeigte in beiden Phänotypen einen identischen, zeitabhängigen Verlauf, der zuerst einem starken Anstieg unterlag und dann innerhalb von 2 h wieder auf die Ausgangsintensität sank. OSM zeigte im STZ-­Modell keine Abweichung in der ERK1/2-­Phosphorylierung im Vergleich zum gesunden Phänotyp. Nach Stimulation mit NGF hingegen kam es zu sehr variablen Ergebnissen. NGF induzierte im STZ-­Modell teilweise wesentlich stärkere ERK1/2-­Phosphorylierung, weshalb dieser Signalweg anschließend noch differenzierter untersucht wurde. NGF bindet an den Rezeptor TrkA und aktiviert so eine Signalkaskade über Proteine und Kinasen wie z. B. Ras, Raf und MEK, die wiederum ERK1/2 aktivieren. Die Rezeptorexpression von TrkA zeigte eine deutlich höhere Ausprägung in kleinen Neuronen und zudem eine Korrelation der Neurone, die auf eine Stimulation mit NGF mit starker ERK1/2-­Phosphorylierung reagierten. Diese Verteilung war auch im STZ-­Modell erkennbar. Die basale ERK1/2 Expression zeigte keine Abweichung. Es wurden außerdem Dosis-­Wirkungs-­Kurven erstellt, in denen erkennbar wurde, dass sich die NGF-­induzierte ERK1/2-­Phosphorylierung dosisabhängig darstellt, es aber nicht zu Abweichungen im STZ-­Modell kommt. Eine weitere, etwas unerwartete Beobachtung betraf die Anzahl der isolierten Neurone. Insgesamt wurden mehr Zellen aus dem STZ-­Modell isoliert.

The first chapter examines the last series of the Hartz reform, Hartz IV, and verifies how people in the labor market react to this new system by analyzing changes in household savings. Notably, this new system was the highlight of Hartz reform in 2005 following Agenda 2010 and remarkably reduced the amount of social benefit that people in need could expect in case of hardship. Because of its radical change, it encountered strong resistance from people who were relying on benefits and changed the way German society perceives social security. With respect to this new scheme, how would people financially prepare themselves? By estimating the extent of preparation measured by the household saving rate, Chapter 1 attempts to answer this question. The last chapter moves its focus to young people and verifies how housing price after 2007 affects move-out behavior of young Germans from the parental home. It is widely known nowadays that young people, referred to as Millennials are suffering from financial concern much more than their previous generations. They tend to achieve their economic independence much later than earlier generations did, and that fact leads them to decisions over lifetime events such as moving out from the parental home, marriage, and childbirth for example. Concerning this issue, Chapter 3 notes the fact that housing market in Germany was substantially increased last decade. Although the rate of growth in house price is less steep compared to those in other developed countries, it was quite striking for Germans who have been accustomed to stable housing prices for decades. And of course, young people are the most vulnerable age group with respect to this change. What effect do housing costs have on young Germans wanting to set up a household? To what extent are housing costs important for young people in Germany? Chapter 3 navigates throughout these questions.

This work contributes in various ways to the estimation of top-of-atmosphere (TOA) shortwave (SW) and longwave (LW) fluxes and their uncertainties, which are based on BBR radiance measurements onboard the upcoming EarthCARE mission.

We assess a so-far unaccounted sampling uncertainty of BBR-measured SW and totalwave (TW) radiances assembled towards ∼100 km² assessment domains. Uncertainties arise from irregular sampling through ∼(0.6)km² footprints within domains and a naturally heterogeneous radiance field. Sampling becomes increasingly irregular as BBR instrument performance is reduced to conserve mission lifetime. We evaluate uncertainties using Landsat 8 imagery and repeated mimicry of BBR nadir sampling under various levels of instrument performance, and measure how far BBR-obtained radiances depart from actual mean radiances over domains. We observe that uncertainty in SW and TW radiances increases linearly with radiance heterogeneity and near-linearly with reduced instrument performance. We find that the uncertainty of LW radiances, which are inferred from staggered SW and TW measurements, is particularly sensitive to instrument performance and can amount to twice the SW uncertainty – even though LW radiances are horizontally homogeneous within domains. In order to keep radiance uncertainties below a flux equivalent of 10 W/m², we recommend to reduce instrument performance no further than 25% of its nominal value.

We present an algorithm for the conversion of BBR-measured TOA SW radiances into TOA SW fluxes over clear-sky domains. We find a new representation of state-of-the-art CERES angular distribution models (ADMs). Through the use of additional geophysical variables - obtained from an aerosol optical depth climatology, ERA-20C reanalysis, and climatology of MCD43BGF surface bidirectional reflectance distribution function parameters - we unite spatially and temporally separate CERES ADMs towards new ADMs per surface type and BBR-perceived scattering direction. We show which geophysical parameters are important and how well artificial neural networks perform when using essential parameters. With the exception of domains containing fresh snow, we reproduce CERES estimates with an uncertainty of 2.7 – 4.0 W/m² . Fresh snow surfaces are hardly characterized by any of above parameters and that results in larger uncertainties of 8.3 – 14.6 W/m² .

We investigate whether the conversion of BBR-measured TOA SW radiances to fluxes above low-levels clouds is significantly sensitive to cloud microphysics and cloud-topped moisture. We generate new ADMs that account for cloud-top effective radii and cloud-topped water vapor by using CERES-MODIS observations and broadband simulations. We find that TOA SW anisotropy can vary by 2.9-8.0% due to extremes in cloud-top effective radii, and by 1.3-6.4% due to extremes in cloud-topped water vapor, while anisotropy uncertainty is 3.2-5.0%. Compared to state-of-the-art CERES ADMs, which lack these sensitivities, new radiance-to-flux conversions show differences of up 20 W/m² – especially for particularly small and large cloud-top effective radii (5 and 20 μm, corresponding to particularly strong and weak cloud-aerosol interaction, respectively). When applying ADMs to CERES cross-track measurements, which produce radiation budget estimates as a benchmark for global climate models, new ADMs produce TOA SW flux estimates 1-2 W/m² larger than CERES ADMs. We can attribute such flux biases in part to conditions of persistently small effective radii and low amounts of cloud-topped water vapor. This work therefore identifies additional factors impacting TOA SW anisotropy that future radiance-to-flux converting ADMs should consider to avoid sampling biases.

We introduce a new method of colocating individual measurements of SW radiances and corresponding flux estimates from BBR’s three views towards a common assessment domain. By using photon paths, produced by 3D Monte-Carlo radiative transfer simulations acting on active-passive retrievals of a cloudy atmosphere, we are able to colocate even under conditions of broken and semitransparent clouds where no obvious vertical level exists that current methods would use for colocation. Applied to a 5000 km frame based on A-Train satellite observations, we find that the use of photon paths improves colocation by 4% for cirrus clouds and 15% for broken cloud fields when compared against a colocation at cloud-top height level.

Once the EarthCARE mission is launched, the radiative closure assessment will compare BBR-based TOA flux estimates with simulated TOA fluxes, based on 1D or 3D radiative transfer simulations acting on active-passive retrievals of clouds and aerosols. By providing a better understanding of BBR-based TOA fluxes and their uncertainties, this work will improve the mission’s radiative closure assessment which will strengthen the science community’s understanding of the interaction among clouds, aerosols, and radiation.

Systems biology is an interdisciplinary field of research that combines mathematics, computer science, and engineering in order to analyse biological processes. It has become more and more important in the last two decades, in particular because of successful applications for human health and biotechnology. It aims at simulating biological systems as mathematical models to support time- and cost-intensive research in laboratories. To do so, researchers create formalisms, algorithms, and techniques which can be widely used. One technique to obtain data describing biological entities is genome sequencing. Using modern high-throughput sequencing, increasing knowledge is gained about genomes which can then be used in order to reconstruct metabolic processes and networks of the organisms. Success does not come for free and data gathered with modern techniques is often too large to be analysed by hand. Therefore, methods which extract relevant information from data are in great demand. In this thesis, we introduce different methods which reduce given data in metabolic networks in a meaningful way. We present a technique which computes minimal metabolic subnetworks which are still able to satisfy predefined functionalities. We also develop a method to compute minimum sets of elementary flux modes which compose the network, where the size is significantly reduced compared to the whole set of elementary flux modes. Furthermore, we provide procedures that reduce the number of variables in a given problem in order to accelerate (already existing) algorithms by using information given by the data. Moreover, we develop a novel procedure to compute minimal cut sets on a projected network. This enables us to compute minimal cut sets of larger cardinality than before and to analyse larger networks. This projection of metabolic networks also gives rise to other applications such as computing minimal metabolic behaviours. Even though we apply and suit our methods to real metabolic systems, this thesis is focused on the mathematical methods. In order to create and prove the new techniques we make use of (mixed integer) linear optimisation, polyhedral cones, linear algebra, and oriented matroids.

Diese Dissertation besteht aus vier voneinander unabhängigen Kapiteln, die sich mit der ökonomischen Analyse von nicht-kognitiven Fähigkeiten sowie der Qualität von Bildung beschäftigen. Diesen Kapiteln vorangestellt ist eine umfassende Einleitung, welche die unterschiedlichen Forschungsfragen motiviert, und darauf hinweist, wie die Kapitel sowohl gemeinsame als auch komplementäre Beiträge zur ökonomischen Literatur leisten. Auf die vier Hauptkapitel folgt ein Schlussteil, welcher mögliche Beschränkungen der Kapitel diskutiert, weitere Forschungsfragen darlegt und aus den Ergebnissen dieser Dissertation abgeleitete Politikempfehlungen macht. Kapitel 2 evaluiert wie das Positive Parenting Program (Triple P) das Wohlbefinden von Müttern beeinflusst. Triple P zielt darauf ab, die kindliche Entwicklung durch Verbesserung von elterlichen Erziehungsfähigkeiten positiv zu beeinflussen. Das Kapitel untersucht ein randomisiertes Kontrollexperiment (RCT) des Programms. Es analysiert außerdem eine separate Untersuchungsgruppe aus einem grundsätzlich benachteiligten Stadtgebiet, für welche keine Kontrollgruppe rekrutiert wurde. Für diese Gruppe wird im Kapitel eine künstliche Kontrollgruppe mit Daten des Sozio-oekonomischen Panels (SOEP) generiert. Diese Kontrollgruppe wird dann in einem zusätzlichen Schritt mit Hilfe einer Matching-Methode (entropy balancing) genutzt, um den Effekt des Programms auf das mütterliche Wohlbefinden zu schätzen. Insgesamt zeigt das Kapitel positive Effekte von Triple P auf das mütterliche Wohlbefinden - wobei sich die größten Effekte drei Jahre nach der Teilnahme zeigen. So zeigt das Kapitel, dass das mütterliche Wohlbefinden ein weiterer Kanal ist, durch welchen Erziehungsprogramme, als ein Beispiel von frühkindlichen Interventionen, Familien zugutekommen können. Kapitel 3 untersucht empirisch Informationsasymmetrien zwischen Eltern und pädagogischem Personal in deutschen Kindertageseinrichtungen (Kitas). Insbesondere untersucht es Zusammenhänge zwischen elterlichem sozio-ökonomischem Status (SES), Kita-Charakteristiken und Qualitätseinschätzungen von Eltern und pädagogischem Personal von Kitas. Das Kapitel nutzt K2ID-SOEP, eine Erweiterung des SOEP, welche repräsentative Daten von Eltern, deren Kinder Kitas in Deutschland besuchen, bietet. Diese enthält sowohl Daten zur Einschätzung der Kitaqualität durch die Eltern als auch durch das pädagogische Personal der Kita, die das jeweilige Kind besucht. Mithilfe von deskriptiven und korrelationalen Methoden vergleicht das Kapitel Qualitätseinschätzungen von Eltern und pädagogischem Personal in 734 Kitas. Das Kapitel beschreibt die Entwicklung eines Index für Informationslücken für unterschiedliche Qualitätsmerkmale und nutzt logistische Regressionen, um diese mit Nachfrage- (also elterlichen) und Angebots- (also Kita-) Charakteristiken in Verbindung zu setzen. Das Kapitel zeigt, dass beträchtliche Informationasymmetrien zwischen Eltern und pädagogischem Personal existieren. Diese unterscheiden sich erheblich zwischen Qualitätsmerkmalen, aber weniger in Bezug auf den sozio-ökonomischen Hintergrund der Eltern oder Kita-Charakteristiken. Beide Gruppen von Eigenschaften tragen in ähnlichem Umfang zur Erklärung der Variation der Informationslücken bei. Kapitel 4 untersucht die kausalen Effekte von Qualitätsmerkmalen der Kitagruppe, die ein Kind besucht, auf dessen prosoziales Verhalten und Persönlichkeitsmerkmale. Die Analysen basieren auf Daten des Nationalen Bildungspanels (NEPS), einer Panelstudie zu Bildungsverläufen in Deutschland. Das prosoziale Verhalten und die Persönlichkeitsmerkmale von Kindern werden von ihren Eltern eingeschätzt, wenn die Kinder ungefähr fünf Jahre alt sind. Die Analysen nutzen Variation zwischen Gruppen innerhalb von Kitas zur Identifikation von kausalen Effekten der Kitaqualität auf die nicht-kognitiven Fähigkeiten von Kindern. Während Selektivität in verschiedene Kitas ein Problem darstellen könnte, weisen Spezifikationstests darauf hin, dass Unterschiede zwischen den Gruppen als exogen angesehen werden können. Das Kapitel liefert Hinweise für den positiven Einfluss von hoher Kitaqualität auf die nicht-kognitiven Fähigkeiten von Kindern. Insbesondere die Verfügbarkeit von Materialien zum Spielen und Lernen haben einen positiven Effekt auf das prosoziale Verhalten von Kindern. Dieses Ergebnis besteht mehrere Robustheitsprüfungen. Kapitel 5 analysiert ob und in welchem Umfang Persönlichkeitsmerkmale von Personen in einer Untersuchungsgruppe von Erwerbstätigen über einen Zeitraum von acht Jahren veränderbar sind. Insbesondere untersucht das Kapitel Veränderungen von Persönlichkeitsmerkmalen nach einem einschneidenden Lebensereignis: Arbeitsplatzverlust. Das Kapitel nutzt Daten des SOEP aus den Jahren 2004 bis 2014 - einem Zeitraum in welchem die Persönlichkeitsmerkmale der Teilnehmenden drei Mal gemessen wurden. Der Datensatz erlaubt es, detaillierte Informationen über die Erwerbstätigkeit, insbesondere die Gründe für den Arbeitsplatzverlust sowie Zeiträume der Arbeitslosigkeit, zu nutzen. Das Kapitel konzentriert sich auf Arbeitsplatzverluste aufgrund von Firmenschließungen. Die Ergebnisse des Kapitels weisen darauf hin, dass Persönlichkeitsmerkmale zu einem gewissen Grad auch im Erwachsenenalter veränderbar sind. Das Kapitel zeigt einen Anstieg der Dimension Offenheit (also die Bereitschaft zu neuen Erfahrungen) für den durchschnittlichen Erwerbstätigen. Dieser Anstieg besteht allerdings vor allem für diejenigen mit einem hohen Bildungsgrad sowie für diejenigen, die sofort nach Entlassung wieder einen neuen Arbeitsplatz finden.

Multi-country dynamic time series models, called panel vector autoregressive (PVAR) models, allow for multilateral cross-border linkages and country-specific dependencies among variables. Thus, these models are excellent tools for macroeconomic spillover analyses. However, as they jointly model multiple variables of several countries, the dimensionality of unrestricted PVAR models is large and the estimation feasibility is thus not guaranteed with standard methods. Hence, model selection techniques which restrict PVAR models and thereby reduce the dimensionality of the models are necessary to ensure the estimation feasibility. Chapters 1 and 2 of this thesis propose Bayesian and classical selection methods for PVAR models which search for restrictions supported by the data and which take specific panel properties into account. Furthermore, theoretical arguments for commonly used recursive structural identification in multi-country models are often insufficient. The third chapter analyzes international monetary policy spillovers in a three-country vector autoregressive model using external instruments to identify monetary policy shocks.

The first chapter introduces a Bayesian selection prior for PVAR models. The proposed selection prior allows for a data-based restrictions search ensuring the estimation feasibility. The prior is specified as a mixture distribution which allows to shrink parameters to restrictions or to estimate them freely. The prior specification differentiates between domestic and foreign variables by searching for zero restrictions on lagged foreign variables and for homogeneity across countries for coefficients of domestic variables. The prior, thereby, allows for a flexible panel structure and a restrictions search on single elements. Furthermore, the prior searches for restrictions on the covariance matrix. A Monte Carlo simulation shows that the selection prior outperforms alternative estimators for flexible panel structures in terms of mean squared errors measuring the deviation of the parameter estimates from the true values. Furthermore, a forecast exercise for G7 countries demonstrates that forecast performance improves for the proposed prior focusing on sparsity in form of no dynamic interdependencies.

The second chapter proposes a new lasso (least absolute shrinkage and selection operator) for estimating PVAR models. The penalized regression ensures the feasibility of the estimation by specifying a shrinkage penalty that accommodates time series and cross section characteristics. It thereby accounts for the inherent panel structure within the data. Furthermore, using the weighted sum of squared residuals as the loss function enables the lasso for PVAR models to take into account correlations between cross-sectional units in the penalized regression. The specification of the penalty term allows to establish the asymptotic oracle properties. Given large and sparse models, simulation results point towards advantages of using the lasso for PVAR models over ordinary least squares estimation, standard lasso techniques as well as Bayesian estimators in terms of mean squared errors measuring the deviation of the estimates from their true values and forecast accuracy. Empirical forecasting applications with up to ten countries and four variables support these findings.

The third chapter assesses the international macroeconomic spillover effects of monetary policy shocks for the United States, the United Kingdom, and the euro area. The Bayesian proxy three-country structural vector autoregressive model accounts for international interdependencies and traces the dynamic cross-border responses of macroeconomic variables to monetary policy shocks identified with external instruments. The instruments for monetary policy surprises capture changes in high frequency government bond future contracts around policy announcement dates. The results provide no evidence for cross-border macroeconomic effects.

Das Ziel dieser Dissertation bestand darin, das Potential eines Einsatzes von Biokohlesubstraten (BKS) im forstlichen Bereich zu erkunden. Dabei wurden zwei unterschiedliche, für die Modellregion Hochsauerlandkreis relevante, Anwendungsgebiete - Windwurfflächen und Weihnachtsbaumkulturen untersucht. Die Zugabe von BKS hat einen geringfügigen Mehrertrag bei der Bepflanzung von Fichten (Picea abies) auf Windwurfflächen und Nordmanntannen (Abies nordmanniana) auf Flächen der Weihnachtsbaumkulturen erbracht. Durch Zugabe von BKS wurde ein deutlich verbesserter Wuchs bei der Bepflanzung von Rotbuchen (Fagus sylvatica) auf Windwurfflächen erzielt. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit den Ergebnissen aus der Literatur, die zeigen, dass Laubbäume grundsätzlich deutlich stärker als Nadelbäume auf die Verbesserung der Nährstoffversorgung reagieren.

Vor dem Hintergrund, dass auch der Fremdsprachenunterricht auf die komplexer werdende Welt reagieren und ökologische und globale Herausforderungen und Fragestellungen miteinbeziehen muss, verfolgt die vorliegende Dissertation die Absicht, die Förderung von Umweltkompetenz als Zielsetzung im Deutsch-als-Fremdsprache-Unterricht zu verankern und Anregungen für Lehr- und Lernarrangements zu geben. Da sich die Beschäftigung mit Erinnerungsorten im Kontext der Förderung einer Diskurskompetenz (vgl. Altmayer 2016; Hallet 2006) und der Arbeit mit einem bedeutungs- und wissensorientierten Kulturbegriff (vgl. Reckwitz 2006) im Fremdsprachenunterricht in den letzten Jahren immer wieder als fruchtbar erwiesen hat, wurden neben Unterrichtsreihen zu ausgewählten ökologischen Themen auch eine Unterrichtsreihe zu einem ökologischen Erinnerungsort entwickelt, einzelne Unterrichtseinheiten detailliert geplant und anschließend in mehreren Deutsch-als-Fremdsprache-Kursen an Universitäten und Sprachschulen in Deutschland erprobt. Die vorliegende Arbeit zielt außerdem darauf, einen Beitrag zur Fundierung der Kompetenzdiskussion der Bildung für eine nachhaltige Entwicklung und des Globalen Lernens zu leisten, die Auseinandersetzung mit global issues als Lehr- und Lerngegenstände im Unterricht Deutsch als Fremdsprache weiter voranzubringen und den bisher in der deutschsprachigen DaF-Forschung kaum etablierten Begriff ‚Umweltkompetenz‘ weiter zu konkretisieren und zu verankern.

Zur Beantwortung der Fragestellung wurde eine mehrmethodische Herangehensweise zur Datenerhebung gewählt, um der Komplexität des Prozesses der Förderung von Umweltkompetenz im Fremdsprachenunterricht gerecht zu werden und gleichzeitig eine differenzierte Untersuchung gewährleisten zu können. Neben den von teilnehmenden Studierenden während der Unterrichtsstunden verfassten Texten (Lernertexte) sowie den Antworten aus einem im Anschluss an die Einheiten ausgefüllten Fragebogen (schriftliche Befragung) bildete zusätzlich die Unterrichtsbeobachtung (Videographie) einzelner Unterrichtssequenzen den Ausgangspunkt für eine reflektierende Analyse und weitergehende Handlungsempfehlungen. Zusätzlich zur Methode der qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring (2015), die zur Auswertung des aus der schriftlichen Befragung und den selbst formulierten Texten hervorgehenden Materials angewendet wurde, kam zur Analyse der videographischen Daten das Verfahren der Sequenzanalyse zum Einsatz.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass ökologische Diskurse im Fremdsprachenunterricht gewinnbringend zur Förderung von Umweltkompetenz und somit zu einer nachhaltigen Entwicklung unserer Weltgesellschaft beitragen kann. Neben der Vermittlung von Faktenwissen zu Umweltthemen und Umweltgeschichte kann die Auseinandersetzung mit ökologischen Thematiken zu einem Erkennen der (globalen) Konsequenzen individuellen Handelns und zu einer Erweiterung von einer lokalen zu einer globalen Perspektive führen. Eigene Interessen und individuelle Standpunkte können gleichzeitig hinterfragt und relativiert werden. Aus den Auswertungsergebnissen geht hervor, dass die Beschäftigung mit ökologischen Themen im Allgemeinen und (ökologischen) Erinnerungsorten im Besonderen nicht nur wichtige Anforderungen einer kulturwissenschaftlich orientierten Landeskunde, sondern auch eines Globalen Lernens anstoßen kann. Deshalb ist es wichtig, dass ökologische Problematiken und Fragestellungen speziell im Fremdsprachenunterricht thematisiert werden, um Studierende dazu zu ermutigen, an der Gestaltung der Weltgesellschaft mitzuwirken. Die Förderung von Umweltkompetenz muss ein wichtiger Bestandteil des Erziehungs- bzw. Bildungssystems und auch des Fremdsprachenunterrichts werden, damit zukünftige Generationen nicht massiv unter den Folgen des ständigen Überschreitens der natürlichen Grenzen unseres Planeten zu leiden haben. Denn gerade in einer internationalen Lernumgebung wie dem Fremdsprachenunterricht an Hochschulen bzw. vorrangig der Erwachsenenbildung verpflichteten Sprachschulen in Deutschland können so interessante Ansätze für produktive Gespräche, individuelle Betrachtungen und gemeinsame Aushandlungsprozesse entstehen.

In this thesis we consider closed, embedded, smooth curves in the plane whose local total curvature does not lie below -\pi and study their behaviour under the area preserving curve shortening flow (APCSF) and the length preserving curve flow (LPCF). For the APCSF, we show that under the above initial condition, the flow does not develop any singularities in finite time but exists for all times and converges smoothly and exponentially to a round circle after becoming convex in finite time. For the LPCF, we prove that under the above initial condition, the flow does not develop collapsed singularities and if it exists for all positive times, it converges smoothly and exponentially to a round circle after becoming convex in finite time. For these results, the above initial condition on the local total curvature is sharp. To exclude singularities, we introduce a distance comparison principle and a monotonicity formula and use methods from the theory of curve shortening flow.