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Experimenteller Vergleich des Materialverhaltens kommerzieller Nickel-Titan-Drähte mit "Gummetal"
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Evaluation dreier Herstellungsmethoden für adjustierte Aufbissschienen zur Behandlung von Parafunktionen des stomatognathen Systems
Get PDFEinfluss des Bedampfens von Heu auf die geschätzte praecaecale Verdaulichkeit von Protein und Aminosäuren für Pferde
Get PDFZiel der vorliegenden Arbeit war es, eine Reduktion des praecaecal verdaulichen Anteils von Rohprotein und Aminosäuren durch die Bedampfung von Heu zu überprüfen. Vorliegende Literaturangaben zur Bedampfung von Heu wurden dafür vergleichend herangezogen. Untersucht wurden sechs verschiedene, regionale Heuchargen auf ihre nativen und nach der Bedampfung gemessene, chemische Zusammensetzung. Dabei wurde vor allem in lösliches und unlösliches Rohprotein fraktioniert. Hierbei wurde ein Shift innerhalb des Rohproteins zu Gunsten des unlöslichen Anteils nach der Bedampfung gezeigt. Die Erhöhung des unlöslichen und somit für Pferde vermutlich praecaecal unverdaulichen Anteiles des Rohprotein war mit 57 % um mehr als die Hälfte gestiegen. Entsprechend sank die praecaecale Verdaulichkeit des Rohprotein von im Mittel 56 % im nativen Heu auf nur noch 35 % im bedampften Heu. Dieser Effekt trat systematisch bei jedem Bedampfungsvorgang auf. Neben den hohen Temperaturen von bis zu 100 °C, entsteht auch Wasserdampf während des Prozesses. Diese Effekte sind einerseits, für die Abtötung von Mikroorganismen und Bindung der Staubpartikel essentiell, aber anderseits auch für den starken Anstieg des unlöslichen Rohproteins verantwortlich. Die dabei gemessene, massive Entstehung von Maillard Reaktionsprodukten durch die Hitzeeinwirkung scheint ein Grund für diesen Anstieg zu sein. Jedoch sind bereits im nativen Zustand vergleichsweise geringe Gehalte an Maillard Reaktionsprodukte messbar, wobei nicht klar ist, ob diese bereits in der Pflanze oder bei der Trocknung auf dem Feld entstehen. Die Konzentration an Maillard Reaktionsprodukten ist zeit- und temperaturabhängig und steigt von feuchten zu trockenen Behandlungsprozessen an (Förster, 2006).
Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Maillard Reaktionsprodukte, Furosin und Carboxymethyllysin, sind indikativ für diese Reaktion, welche viele weitere Produkte mit unterschiedlichsten Aminosäuren hervorbringen kann. Die hier untersuchten Maillard Reaktionsprodukte stehen für die Reaktion aus einem reduzierenden Zucker und der für das Pferd essentiellen Aminosäure Lysin. Die Reduktion des Gehaltes an praecaecal verdaulichem Lysin um 54 % im bedampften vs. nativen Heu ist für die Pferdefütterung (v.a. Zuchtstuten und intensiv wachsende Pferde) von praktischer Relevanz. Weitere praecaecal verdauliche essentielle Aminosäuren, wie das praecaecal verdauliche Threonin oder die praecaecal verdaulichen, schwefelhaltigen Aminosäure Cystin und Methionin wurden durch die Behandlung mit Wasserdampf im Mittel um über 40 % reduziert. Dabei kommt dem praecaecal verdaulichem Threonin eine besondere Bedeutung bei Pferden zu, welche im Erhaltungsstoffwechsel stehen oder nur eine vergleichsweise geringe körperliche Beanspruchung erfahren, also dem Freizeitpferd und damit dem Großteil der Pferdepopulation in Deutschland.
In der vorliegenden Arbeit kann die eingangs aufgestellte Hypothese, dass die bei der Bedampfung entstehenden hohen Temperatur zu einer Reduktion der praecaecale Verdaulichkeit von Rohprotein und Aminosäuren führt, bestätigt werden. Durch die Behandlung wird der Gehalt an dem praecaecal verdaulichem Anteil im Heu wesentlich reduziert. Dessen ungeachtet wurde in anderen Untersuchungen eine sehr hohe Effektivität des Bedampfens beim Abtöten von Mikroorganismen nachgewiesen (Moore-Colyer & Fillery, 2012; Moore-Colyer et al., 2016; Glatter et al., 2021). Daher ist die Methode der Heubedampfung für Pferde, die beispielsweise am equinen Asthma leiden, geeignet. Die Reduktion der essentiellen AS sollte jedoch nicht außer Acht gelassen werden. Wenn betroffene Pferde ausschließlich auf Basis von bedampftem Heu gefüttert werden, empfiehlt es sich die Ration mit hochwertigen Proteinzulagen oder Aminosäuren auszugleichen
High-order discontinuous Galerkin hydrodynamics for supersonic astrophysical turbulence
Get PDFThroughout the universe a primary way of transferring large scale kinetic energy down to viscous scales where it can heat gas, mix chemical elemental abundances, regulate star formation, etc., is turbulence. Turbulence is ubiquitous across astrophysical objects, from regulating star and planet formation, to being the main driver of flame propagation in Type Ia supernovae, to controlling the propagation of cosmic rays and launching outflows and winds in galaxies. However, turbulence is difficult to simulate as one needs to resolve a wide dynamic range, from the stirring at large scales down to viscous scales, to properly account for the influence it has on the astrophysical system in question.
To be able to simulate such systems while sufficiently resolving turbulent motions new algorithms and bigger computers are needed. Since the 1970s the number of transistors in an integrated circuit has doubled about every two years -- commonly known as Moore's law -- and this has given rise to a similar expansion of their computational performance. Since the mid 2010s, however, this progress has slowed down, and the computer industry has turned to a variety of approaches for still increasing the number of floating point operations per second their chips can deliver. One important current trend along this line is to use graphical processing units (GPUs) and re-purpose them for use in high performance computing. In fact, this approach is powering the first exascale supercomputers that have emerged recently. The simpler chip design of GPUs poses however fundamental challenges to (astrophysical) codes as one cannot simply recompile them for these systems. Instead, a fundamental rewrite is necessary, including a change of data structures, memory accesses, code logic and communication strategy.
Motivated both by these hardware trends and by the need for more efficient numerical algorithms, this thesis investigates the use of Discontinuous Galerkin (DG) methods for simulations of astrophysical turbulence on GPUs. The numerical technique of DG promises high-order convergence with comparatively small communication needs, potentially giving it superior computational performance and accuracy, particularly when realized on modern computer hardware accelerated with GPUs.
To investigate this prospect, I have implemented a high-order DG method in the GPU-native Compute Unified Device Architecture (CUDA), combined with a parallelization across multiple distributed memory nodes with the Message Passing Interface (MPI). First, I realized the method for subsonic flows where it exhibits a very promising exponential convergence with increasing spatial order. This allows for subsonic flows to be simulated at very high resolution at a low computational cost. I furthermore improved the classic DG method with a reconstruction-based Navier-Stokes solver, something that had proven difficult in previous work. I also proposed a new sub-cell shock resolving method based on an appropriate injection of artificial viscosity.
Building on these steps, I have then addressed the case of supersonic turbulence. The network of strong interacting shocks appearing in such simulations required further algorithm and code improvements. I introduced a simplified artificial viscosity implementation based on the classic von Neumann-Richtmeyer formulation and solved the stability problem of DG for supersonic flows by proposing a novel projection approach for the primitive variables so that they can be stably extrapolated to cell surfaces.
The developments of this thesis thus make high-order, GPU-accelerated Discontinuous Galerkin methods for the first time applicable to a wide und essentially unrestricted range of research applications in astrophysics. This includes, for example, studies of the subsonic turbulence in galaxy clusters which can be represented much more precisely and in a more cost effective way with high-order DG methods than with traditional finite volume techniques. Importantly, this now also includes systems that contain strong shocks, or are even governed by networks of shocks such as regions filled with supersonic turbulence, a regime that could previously not be treated effectively with high-order DG hydrodynamics
The role of maternal responsiveness for the emergence of imitation and empathic responding in infancy
Get PDFSocial skills are crucial for humans for being part of a social community. They help us to interact with our environment, to communicate with others in social interactions, but also to learn further abilities from others. However, babies need to develop them first. A large body of literature has emphasized the role of the social environment in infant’s development of social skills. Theoretical accounts have highlighted that the caregiver-child relationship serves as the cradle of learning in early childhood. The current thesis focused on maternal responsiveness as key aspect of caregiver–child interaction that support infant’s development of imitation, empathy, and prosociality. The stage of infancy is particularly interesting as experience with the caregivers settle the ground for children’s later interactions in their social environment. Despite a large body of research on children’s social skills in general, yet only few studies have investigated the relationship of the occurrence of specific social skills based on the influence of maternal behaviour within the first two years of life. To this end, three studies were conducted, two focusing longitudinally on the development of imitation and empathic responding and one investigating cross-sectionally the mechanism of action between maternal sensitivity and children emotional helping.
The first study investigated the influence of maternal sensitivity and maternal imitation on children’s imitation behaviour. In particular, the study examined the influence of maternal sensitivity and maternal imitation behaviour on children’s spontaneous imitation behaviour and children’s imitation abilities at 18 months. To this end, mothers and their childrens natural imitation behaviour in a playing situation as well as maternal sensitivity were assessed. Beyond that, children’s imitative skills in several tasks at 18 months were measured. Results revealed that maternal sensitivity was related to children’s spontaneous imitation as well as children’s imitation abilities. Furthermore, the relation between maternal sensitivity and children’s imitation abilities was mediated by maternal imitation behaviour at 14 months, but not at 10 months. The study supports the notion that imitation is a learned ability and is impacted by mothers’ own imitation behaviour as well as maternal sensitivity. The second study investigated the onset of empathy as well as the influence of internal and external factors. In particular, the study examined children’s reactions to others’ emotion as well as maternal sensitivity, child’s negative emotionality, and children’s self-recognition within the first two years. To this end, mothers’ behavior was observed in play interactions and children’s empathic reactions to emotional displays were assessed at 6, 10, 14, and 18 months. Intraindividual changes models revealed that more sensitive maternal behavior at 6 months predicted changes in empathic reactions from 10 to 14 months positively. Before that maternal sensitivity had no effect on the empathic reactions, which were not clearly distinguishable from reactions towards a laughing person. The study supports the notion that maternal sensitive behavior plays a significant role in young children’s development of empathy.
The third study investigated the relation of maternal sensitivity and emotional helping in toddlers. In particular, the study examined whether maternal sensitivity and children’s emotional helping was linked by children’s empathy or children’s compliance. To this end, mothers’ sensitivity was observed in play interactions and children’s behaviour regarding empathy, compliance, and emotional helping were assessed in three experimental tasks at 18 months. Mediation models revealed that empathy, but not compliance mediated the link between maternal sensitivity and children’s emotional helping. The study supports the notion that maternal behavior plays a significant role in young children’s ability to help others.
Taken together, the current thesis offers notable insights into the specific relations of mother-child interaction and young children’s acquisition of social skills. Our results suggest that high-qualitative interactions with caregivers are crucial for children’s imitation abilities (Study 1) and for children’s empathic abilities (Study 2). Furthermore, through acquired empathic abilities, maternal behaviours influence new social skills as prosocial behaviour (Study 3). This speaks to the importance of maternal behaviour for the acquisition of social skills. While maternal sensitivity and maternal mirroring are important factors in infant’s acquisition of imitative abilities, maternal sensitivity plays additionally a crucial role for socio-emotional abilities like empathy and emotional helping. The current work has important implications for theories of child development by suggesting associative learning to be crucial for learning social skills such as imitation and empathy in mother-child interaction. In conclusion, the current thesis contributes to a better understanding of the role of mother-child interaction in young children’s acquisition of social skills and provides implications for research on infant’s and toddler’s social development.Soziale Fähigkeiten sind entscheidend für Menschen, um Teil einer sozialen Gemeinschaft zu sein. Sie helfen uns, mit unserer Umwelt zu interagieren, mit anderen in sozialen Interaktionen zu kommunizieren, aber auch, weitere Fähigkeiten von anderen zu erlernen. Säuglinge müssen soziale Fähigkeiten jedoch erst entwickeln. In der Fachliteratur wird die Rolle des sozialen Umfelds in der Entwicklung sozialer Fähigkeiten von Säuglingen immer wieder betont. In vielen Theorien wurde hervorgehoben, dass die Beziehung zwischen Bezugsperson und Kind als Wiege des Lernens in der frühen Kindheit dient. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die mütterliche Responsivität als Schlüsselaspekt in der Interaktion zwischen Bezugsperson und Kind, welche die Entwicklung von Imitation, Empathie und Prosozialität beim Kind fördert. Die Entwicklungsphase des Säuglingsalters ist hierbei besonders interessant, da Erfahrungen mit den Betreuungspersonen die Grundlage für spätere Interaktionen der Kinder mit ihrem sozialen Umfeld bilden. Trotz zahlreicher Forschungsarbeiten zu den sozialen Fähigkeiten von Kindern im Allgemeinen haben bisher nur wenige Studien den Zusammenhang zwischen der Entstehung spezifischer sozialer Fähigkeiten und dem Einfluss des mütterlichen Verhaltens in den ersten beiden Lebensjahren untersucht. Zu diesem Zweck wurden drei Studien durchgeführt, von denen sich zwei längsschnittlich auf die Entwicklung von Imitation und empathischer Reaktion konzentrierten und eine querschnittlich den Wirkungsmechanismus zwischen mütterlicher Sensibilität und emotionalem Helfen der Kinder untersuchte.
Die erste Studie untersuchte den Einfluss von mütterlicher Sensitivität und mütterlicher Nachahmung auf das Nachahmungsverhalten von Kindern. Die Studie untersuchte insbesondere den Einfluss der mütterlichen Sensibilität und des mütterlichen Imitationsverhaltens auf spontanes Imitationsverhalten und Imitationsfähigkeiten der Kinder im Alter von 18 Monaten. Zu diesem Zweck wurden das natürliche Imitationsverhalten der Mütter und ihrer Kinder in einer Spielsituation sowie die mütterliche Sensitivität erhoben. Darüber hinaus wurden die kindlichen Imitationsfähigkeiten in verschiedenen Aufgaben mit 18 Monaten gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass mütterliche Sensitivität mit der spontanen Imitation und den Imitationsfähigkeiten ihrer Kinder zusammenhing. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen der mütterlichen Sensitivität und den Imitationsfähigkeiten der Kinder im Alter von 14 Monaten durch das mütterliche Imitationsverhalten vermittelt, nicht jedoch im Alter von 10 Monaten. Die Studie unterstützt die Annahme, dass Imitation eine erlernte Fähigkeit ist und durch das eigene Imitationsverhalten der Mutter sowie die mütterliche Sensitivität beeinflusst wird.
Die zweite Studie untersuchte die Entstehung von Empathie sowie den Einfluss interner und externer Faktoren. Die Studie untersuchte insbesondere die Reaktionen der Kinder auf die Emotionen anderer im Zusammenhang mit mütterlicher Sensitivität, kindlicher negativer Emotionalität sowie kindliches Selbsterkennen in den ersten zwei Jahren. Zu diesem Zwecke wurde das Verhalten der Mütter in Spielinteraktionen beobachtet und die empathischen Reaktionen der Kinder auf emotionale Stimuli im Alter von 6, 10, 14 und 18 Monaten untersucht. Intraindividuelle Veränderungsmodelle zeigten, dass ein sensitiveres Verhalten der Mütter im Alter von sechs Monaten die Veränderungen der empathischen Reaktionen im Alter von zehn bis vierzehn Monaten positiv vorhersagte. Zuvor hatte mütterliche Sensitivität keinen Einfluss auf die empathischen Reaktionen, welche sich nicht deutlich von den Reaktionen gegenüber einer lachenden Person unterschieden. Die Studie stützt die Annahme, dass einfühlsames Verhalten der Mutter eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Empathie von Kleinkindern spielt.
Die dritte Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen mütterlicher Sensitivität und emotionalem Helfen bei Kleinkindern. Speziell wurde untersucht, ob mütterliche Sensitivität und kindliches emotionales Helfen durch die Empathie der Kinder oder durch die Compliance der Kinder miteinander verbunden sind. Zu diesem Zwecke wurde die mütterliche Sensitivität in Spielinteraktionen beobachtet und das Verhalten der Kinder in Bezug auf Empathie, Compliance und emotionales Helfen in drei experimentellen Aufgaben im Alter von 18 Monaten bewertet. Mediationsmodelle ergaben, dass Empathie, nicht aber Compliance, den Zusammenhang zwischen mütterlicher Sensibilität und emotionaler Hilfeleistung der Kinder vermittelte. Die Studie unterstützt die Annahme, dass mütterliches Verhalten eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit von Kleinkindern spielt, anderen zu helfen.
Insgesamt bietet die vorliegende Arbeit bemerkenswerte Einblicke in spezifische Beziehungen zwischen Mutter-Kind-Interaktion und Erwerb sozialer Fähigkeiten von Kleinkindern. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass qualitativ hochwertige Interaktionen mit Bezugspersonen entscheidend für die Imitationsfähigkeiten (Studie 1) und empathische Fähigkeiten (Studie 2) von Kindern sind. Darüber hinaus beeinflussen mütterliche Verhaltensweisen durch erworbene empathische Fähigkeiten neue soziale Fähigkeiten wie prosoziales Verhalten (Studie 3). Dies spricht für die Bedeutung des mütterlichen Verhaltens für den Erwerb sozialer Fähigkeiten. Während mütterliche Sensitivität und mütterliches Spiegeln wichtige Faktoren für den Erwerb imitatorischer Fähigkeiten des Kindes sind, spielt mütterliche Sensitivität zusätzlich eine entscheidende Rolle für sozio-emotionale Fähigkeiten wie Empathie und emotionales Helfen. Die vorliegende Arbeit hat wichtige Auswirkungen auf Theorien zur kindlichen Entwicklung, da sie nahelegt, dass assoziatives Lernen für das Erlernen sozialer Fähigkeiten wie Imitation und Empathie in der Mutter-Kind-Interaktion entscheidend ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit zu einem besseren Verständnis der Rolle der Mutter-Kind-Interaktion für den Erwerb sozialer Fähigkeiten bei Kleinkindern beiträgt und Auswirkungen auf die Forschung zur sozialen Entwicklung von Säuglingen und Kleinkindern hat
The evolutionary history of wood-associated beetle larvae and the contribution of amber fossils
Get PDFBeetles (Coleoptera) comprise more than 380,000 described species and are not only highly taxonomically diverse today but also ecologically and morphologically. The fossil record of beetles is not scarce, however, it is mostly represented by adult specimens. Beetle larvae, especially preserved in amber, have a reputation to be rare, and wood-associated beetle larvae have been claimed to be 'anecdotal'. It has been suggested that small and soft-bodied larvae do not get fossilized easily, especially the larvae leading a hidden way of life within the wood. I wanted to research whether they really are as rare in amber as it seems from the literature. In my thesis, I studied specimens preserved mostly in ~100-million-year-old Kachin, ~40-million-year-old Baltic, and ~25-million-year-old Mexican ambers. Through my contributions, in the form of 9 publications, I demonstrate that wood-associated beetle larvae can actually be considered relatively abundant in ambers. In fact, such finds should not surprise since the fossil larvae probably inhabited areas close to the origin of the plant resin. The resin dripped on the animal, or the animal stumbled or fell in. Once the animal became stuck and engulfed within the resin it became a biological inclusion within hardened and fossilized resin, now considered amber.
However, the fossil record of diverse groups of beetles within ambers seems biased towards adults, especially males. The reports of beetle larvae stay scarce, even though they are of great importance for understanding the evolutionary history of beetles and their biodiversity. In Holometabola, a group including beetles as well, modern representatives have life cycles including an adult, a pupa, and larval stages. Interestingly, most of the lifespan of many extant beetles is spent in the larval stages. Therefore, larvae of beetles not only increase the morphological and often ecological diversity of the group but are a big, if not the biggest, part of the beetle biomass.
In addition, the modern wood-associated beetle larvae have another important role, they help in breaking and decomposing of wood, therefore, enhancing carbon cycling. It seems that wood as a substrate offers many different microenvironments depending on the state it is in. In this study I differentiate several functional groups of modern representatives of beetle larvae that feed on wood in different states: hardwood borers, softwood borers, fungus-infected wood borers, submerged wood borers, and in-wood predators. Even though predators are not directly feeding on wood, they are often encountered within the wood, especially within the galleries and tunnels of wood-feeding larvae that they prey upon. I was wondering whether such differentiation of wood-associated larvae already existed within the extinct representatives of past faunas. In the scope of this thesis I present two publications with possible hardwood borers, three publications considering possible softwood borers (even though, one specimen is likely a larva of Holometabola, but possibly not of Coleoptera), one manuscript with fungus feeders, one publication and one manuscript with submerged-wood borers and two publications with in-wood predaceous beetle larvae. Therefore, the wood habitats were crawling with life also in ecosystems of the past.
Within the incorporated manuscripts and publications, my co-authors and I presented the fossil beetle larvae and their morphological characters on images created with a digital microscope, x-ray microcomputed tomography, and synchrotron radiation micro-computed tomography. The (rendered) images were further processed with programs such as Adobe Photoshop or Inkscape for easier interpretation by readers.
Additionally, many of the new fossil larvae showed morphologies unknown from modern beetle larvae. Hence implying that the morphologies of extinct beetle larvae differed and occupied a different range of morphospace than the morphologies known from the modern beetle larvae. In order to compare the range of morphologies through time within the morphospace we used the pipeline of programs SHAPE that uses an Elliptic Fourier Analysis and a Principal Component Analysis
Characterization of novel TOR1A variants causing extreme phenotypes of arthrogryposis multiplex congenita
Get PDFThe TOR1A gene encodes torsinA, an AAA+ ATPase that exerts multiple functions, including nuclear envelope homeostasis and regulation of centrosome orientation and cell migration. A single amino acid deletion (p.Glu303del) in torsinA causes a long-recognized low-penetrance autosomal dominant disorder, torsion dystonia-1. More recently, biallelic TOR1A variants have been linked to an additional condition, an autosomal recessive congenital arthrogryposis syndrome complicated by global developmental delay.
This study extends the clinical and mutation spectrum of the TOR1A-associated contrac-ture syndrome: Four patients carried a homozygous variant c.862C>T (p.Arg288*) and presented with severe contractures, massive global developmental delays, generalized muscle weakness, bulbar dysfunction and respiratory failure. All four infants died within the first 11 weeks of life. One case with compound heterozygous variants c.-3G>T and c.336C>A (p.Ser112Arg) presented with a much milder phenotype consisting of congenital contractures, motor delay, spastic paraparesis and moderate cognitive deficits. Contractures largely improved over time and were only slightly debilitating when last examined at age eight years.
Arthrogryposis-related TOR1A variants led to decreased cellular levels of torsinA. Low levels of the p.Ser112Arg and p.Arg288* variants seem to result from increased protein turnover by the proteasome. Conversely, the 5’-UTR variant c.-3G>T, affecting a highly conserved base in the TOR1A Kozak sequence, appears to affect protein levels by impairing translation efficiency. The p.Ser112Arg variant also altered torsinA subcellular localization, which may further reduce availability of torsinA at its site of physiological action. In patient-derived dermal fibroblasts, strong reduction of torsinA levels (homozygous p.Arg288*) impaired positioning of centrosomes and cell motility, consistent with disruption of known torsinA functions.
In conclusion, biallelic TOR1A mutations alter properties of torsinA and its cellular func-tions and cause variable forms of arthrogryposis. Pathogenicity of TOR1A variants was supported by altered properties of mutant torsinA and torsinA-deficient patient-derived cells, even though it is still unclear how disruption of torsinA functions eventually leads to disease