1,022 research outputs found
Fundmeldungen Neufunde – Bestätigungen – Verluste
No full textDie Fundmeldungen in Band 34 von Botanik und Naturschutz in Hessen stammen von: Dirk Bönsel, Martin De Jong, Klaus Dühr, Uta Engel, Benjamin Feller, Christian Feuring, Thomas Gregor, Arthur Händler, Karsten Horn, Diemut Klärner, Julia Kruse, Eric Martiné, Hasko Friedrich Nesemann, Kai Uwe Nierbauer, Uwe Raabe, Susanne Raehse, Felix Reischmann, Bernd Sauerwein, Petra Schmidt, Fabian Schrauth, Christof Nikolaus Schröder, Helmut Siebert, Michael Thieme, Otto Wacker und Rüdiger Wittig
Sigmund Freud contra Helga Grebing - Kommentierende Anmerkungen zu den Beiträgen von Max Bloch, Karsten Rudolph, Meik Woyke und Walter Mühlhausen
Get PDFConcentrating on the contributions of Max Bloch, Karsten Rudolph, Meik Woyke and Walter Mühlhausen the author sums up the contributions of this volume in order to reflect on the current state of research in the field of the historiography of biographies of leading social democrats. He discusses remaining lacunae in research and develops perspectives for future research
Antworten auf zentrale Fragen zur Einführung von CO2 Preisen
Get PDFDiese Zusammenstellung einiger in der Öffentlichkeit häufig diskutierter Fragen zur CO2-Bepreisung bereitet den Stand der Forschung für Interessierte auf.LEUREZitierung: Mattauch, Linus, Felix Creutzig, Nils aus dem Moore, Max Franks, Franziska Funke, Michael Jakob, Lutz Sager, Moritz Schwarz, Achim Voß, Marie-Luise Beck, Claus-Heinrich Daub, Moritz Drupp, Felix Ekardt, Gregor Hagedorn, Mathias Kirchner, Tobias Kruse, Thomas Loew, Karsten Neuhoff, Isabella Neuweg, Sonja Peterson, Matthias Roesti, Gerhard Schneider, Robert Schmidt, Reimund Schwarze, Jan Siegmeier, Philippe Thalmann, Johannes Wallacher (2019). Antworten auf zentrale Fragen zur Einführung von CO_2-Preisen. Gestaltungsoptionen und ihre Auswirkungen für den schnellen Übergang in die klimafreundliche Gesellschaft. Diskussionsbeiträge der Scientists for Future 2, 2019, doi:10.5281/zenodo.337115
Anomalous percolation features in molecular evolution
No full textSelf-replication underlies every species of living beings and simple physical intuition dictates that some sort of autocatalysis invariably constitutes a necessary ingredient for the emergence of molecular life. This led Worst et al. [E. G. Worst, P. Zimmer, E. Wollrab, K. Kruse, and A. Ott, New J. Phys. 18, 103003 (2016)] to study a model of molecular evolution of self-replicating molecules where spontaneous ligation and simple autocatalysis are in competition for their building blocks. We revisit this model, where irreversible aggregation leads to a transition from a regime of small molecules to macromolecules, and find an array of anomalous percolation features, some of them predicted for very specific percolation processes [R. M. D'Souza and J. Nagler, Nat. Phys. 11, 531 (2015)]
Physikalische Beschreibungen der Selbstorganisation des Zytoskeletts
No full textTwo properties of the living cells distinguish them most profoundly from nonliving entities: the ability to reproduce and the ability to move. To a large extent, these processes rely on the cytoskeleton - an network of filamentous polymers, that in cells is constantly kept out of thermodynamic equilibrium. Three types of biopolymers constitute the cytoskeleton: microtubules, actin filaments and intermediate filaments. The dynamics of the biopolymers can be regulated by a number of proteins, including molecular motors, which are distinguished by their ability to transform chemical energy into mechanical work. This can be exploited to induce stresses in the meshwork and to transport cargoes, such as cellular organelles, along the cytoskeletal filaments. A large body of recent experimental evidence indicates that cytoskeleton accomplishes its various biological tasks through self-organization, i.e. internal organization of a system, arising from simple short-range interactions of many identical system constituents. For example, mixtures of purified microtubules and molecular motors in aqueous solutions have been seen to form asters, reminiscent of certain cellular organelles. Another example comes from experiments where certain motile cells were fragmented into pieces that retained the ability to crawl on a substrate. This indicates that cell locomotion arises through local interactions of cytoskeletal constituents and is unlikely to rely on a single organizing unit.
Mesoscopic mean-field descriptions have been applied to study the cytoskeletal pattern formation. This method has a number of strengths: its wide applicability and generality as well as the ability to straightforwardly account for experimentally determined details of molecule structures and interactions. However, when applying mesoscopic mean-field equations to study the cytoskeleton, one is confronted with the following problems. (a) Equations, describing particles with many degrees of freedom are hard to analyze.(b) As cytoskeletal filaments are spatially extended, equations, describing their dynamics are generically non-local. (c)Dealing with the boundary conditions is not straightforward.
In this thesis we develop mesoscopic mean-field descriptions of the cytoskeleton, introducing novel techniques for dealing with the above-mentioned problems. Firstly, we develop a general formalism that allows to explicitly account for dynamic filament length. Within this formalism, we identify a class of systems that admit exact treatment. Then, we introduce an approximation, consisting of moment-expansion, combined with coarse-graining, that allows to apply our formalism to a broader class of systems. We demonstrate that the results obtained with this approximation agree with those of the exact treatment, provided that cytoskeletal filaments, constituting the pattern, are much shorter than the characteristic scale of the pattern. We apply our methods to describe two biological systems: microtubule organization in fish skin cells and actin wave-dynamics in granulocytes. Finally, we introduce a novel phase-field-like approach for treating interactions of filaments with a boundary. We apply our method to cell locomotion, demonstrating that our equations, describing actin dynamics in granulocytes, exhibit states, reminiscent of those of a motile cell, when combined with moving boundaries.Zwei Eigenschaften lebender Zellen unterscheiden sie fundamental von unbelebter Materie: die Fähigkeit sich zu reproduzieren und sich zu bewegen. In einem großen Maße beruhen die beiden Prozesse auf dem Zytoskelett - einem intrazellulären Netzwerk fingerförmiger Polymere, welches beständig aus dem thermodynamischen Gleichgewicht getrieben wird. Das Zytoskelett besteht aus drei Arten von Biopolymeren: Mikrotubuli, Aktin-Filamenten und intermediären Filamenten. Die Dynamik dieser Biopolymere kann von einer Vielzahl von Proteinen reguliert werden. Unter diesen befinden sich insbesondere molekulare Motoren, welche chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln können. Diese kann genutzt werden, um im Filamentnetzwerk Spannungen zu erzeugen oder Lasten entlang von Filamenten zu transportieren, zum Beispiel zelluläre Organellen. Eine Vielzahl experimenteller Ergebnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass in vielen wichtigen zellulären Prozessen die Selbstorganisation von Komponenten des Zytoskeletts eine zentrale Rolle spielt. Bei der Selbstorganisation werden die Strukturen eines Systems durch einfache, kurzreichweitige Wechselwirkungen vieler identischer Konstituenten erzeugt. Zum Beispiel ordnen sich aufgereinigte Mikrotubuli und molekulare Motoren in vitro ähnlich zu zellulären Strukturen sternförmig an. Ein weiteres Beispiel liefern Experimente an Fragmenten motiler Zellen, die die Fähigkeit, sich auf Oberflächen fortzubewegen, beibehalten. Diese Fragmente haben keinen Kern, der als zentrale organisierende Einheit dienen könnte, so dass Zellfortbewegung allein durch lokale Wechselwirkungen von Zytoskelett-Komponenten entstehen kann.
Molekularfeldbeschreibungen der Dynamik auf mesoskopischen Skalen bilden einen vielversprechenden Ansatz, um physikalische Aspekte der Musterbildung im Zytoskelett zu untersuchen. Die Stärken dieses Zugangs liegen in ihrer weit reichenden Anwendbarkeit und der Möglichkeit, experimentell bestimmte Details molekularer Strukturen und Wechselwirkungen in die Beschreibung einzubeziehen. Bei der Analyse der entsprechenden dynamischen Gleichungen treten allerdings einige Probleme auf: a) Die Gleichungen beschreiben Teilchen mit vielen Freiheitsgraden und sind deshalb numerisch praktisch nicht lösbar. b) Da die Filamente des Zytoskeletts räumlich ausgedehnt sind, sind die Gleichungen nicht-lokal. c) Die Behandlung nichtperiodischer Randbedingungen ist nicht offensichtlich.
In der vorliegenden Arbeit entwickeln und analysieren wir mesoskopische Molekularfeldbeschreibungen des Zytoskeletts. Dabei werden neue Techniken eingeführt, welche die Probleme (a), (b) und (c) lösen. Wir entwickeln einen Formalismus, der es erlaubt Systeme aus Filamenten mit veränderlichen Längen zu beschreiben. Wir bestimmen eine Klasse von Systemen, die eine Analyse der exakten Gleichungen erlaubt. Durch Einführung einer Entwicklung nach Momenten zusammen mit einer grobkörnigen Beschreibung machen wir auch Systeme außerhalb dieser Klasse einer Analyse zugänglich. Wir zeigen, dass die Näherung mit der exakten Lösung übereinstimmt, wenn die mittlere Länge der Filamenten viel kleiner ist, als die charakteristische Größe der Muster, die sie bilden. Wir wenden unsere Methode zur Beschreibung der Mikrotubuli-Organisation in Melanophoren von Fischen und der Dynamik von Aktinwellen in Granulozyten an. Schließlich stellen wir eine neue Phasenfeld-Methode vor, um die Wechselwirkung von Filamenten mit Membranen zu beschreiben. Wir wenden diese Methode zur Beschreibung der Zellfortbewegung an und zeigen, dass die Gleichungen, welche die Aktin-Dynamik in Granulozyten beschreiben, Lösungen haben, die stark an kriechende Zellen erinnern
Aktive Gele in vivo : Muster und Dynamiken in zytokinetischen Ringen und ihre Funktionen in der Zellteilung
No full textActomyosin structures are involved in many cell functions. Understanding their organization and collective behavior is still challenging. We study the cytokinetic ring in mammalian cells and in fission yeasts, by orienting cells in microcavities. This allows seeing the ring in a single plane of focus. With this setup, we reveal new structures and distinct dynamics for both cellular systems. In mammalian cells we find a pattern of regular clusters of myosin and formin. The characteristics of this pattern are stable throughout closure and its formation coincides with the onset of constriction. We propose that its characteristic is an inherent property of the actomyosin network and that its formation leads to an increase in stress generation. These hypotheses are supported by our theoretical mean field model. In contrast, fission yeast rings show rotating inhomogeneities (speckles), i.e. rotations of actin, myosin, cell wall building proteins (Bgs) and other proteins. Myosin speckles dynamic is unchanged, if wall growth is inhibited. However, the inhibition of speckle motion leads to stalled closure. We propose that the ring closure is driven by the rotation of actin and myosin, which pull Bgs thereby building the septum. This model is supported by our calculations and by simulations. We suggest that actomyosin systems in vivo can be regulated by transition between states of different orders and dynamics.Aktomyosinstrukturen sind involviert in viele Zellfunktionen. Ihre Organisation und kollektives Verhalten zu verstehen, ist immer noch eine Herausforderung. Wir studieren den zytokinetischen Ring in Säugetierzellen und Spalthefe, indem wir Zellen in Mikrovertiefungen orientieren, die es uns erlauben, den Ring in einer einzigen Ebene zu fokussieren. Damit zeigen wir neue Strukturen und Dynamiken in beiden Systemen. In Säugetierzellen finden wir ein Muster aus regelmäßigen Anhäufungen von Myosin und Formin. Die Charakteristiken des Musters sind stabil und die Entstehung des Musters fällt mit dem Beginn der Teilung zusammen. Wir schlagen vor, dass die Charakteristiken des Musters inhärente Eigenschaften des Aktomyosinnetzwerkes sind und dass das Muster zu einer erhöhten Spannungserzeugung führt. Diese Hypothesen werden von unserer Molekularfeldheorie-Beschreibung unterstützt. Ringe der Hefe zeigen rotierende Inhomogenitäten in Aktin, Myosin, zellwandbildenden Proteinen (Bgs) und anderen Proteinen. Die Myosindynamik ist unverändert, wenn die Wandbildung inhibiert ist. Hemmung der Myosinrotation, führt jedoch zu einem Anhalten der Teilung. Wir schlagen vor, dass die Schließung des Ringes durch die Rotationen von Aktin und Myosin angetrieben wird, die wiederum Bgs ziehen. Unsere Berechnungen und Simulationen unterstützen dieses Modell. Wir schlagen vor, dass Aktomyosinsysteme reguliert werden können durch Übergänge von Zuständen von unterschiedlicher Struktur oder Dynamik
Kollektive Dynamik molekularer Motoren und passiver Cross-linker auf Mikrotubuli
No full textUnderstanding how biological cells grow and divide is a major interest of biophysical research. One aspect is the self-organization of the cytoskeleton, a dynamic assembly consisting of biological filaments as well as other proteins, that generates essential structures for the proliferation of cells. A prominent example in this context is the mitotic spindle formed during cell division, which is vital in eukaryotes, for instance by defining the division site. It is built of overlapping microtubules that steadily grow and shrink. Nonetheless, due to proteins regulating the length of filaments and the overlap between them, the spindle size is well defined. While filament length regulation was studied before, the overlap dynamics are still poorly understood.
After introducing the main components of the cytoskeleton and presenting past research on sterically interacting particles and overlapping filaments, we show that diffusive and directionally moving particles segregate along a filament under steric interactions. If these particles generate cross-links between antiparallel microtubules, they are able to generate stable partial overlaps, with or without steric interactions, that are in agreement with experimental results. Based on the understanding of overlap regulation between filament pairs, a coarse-grained theory for filament bundles is derived, reproducing essential features of the spindle.Das Hauptinteresse biophysikalischer Forschung ist das Verständnis der Funktionsweise von Zellen, der Basis aller lebenden Organismen. Ein wichtiger Aspekt zum Verständnis von Zellen ist deren Lebenszyklus, während dessen das Zytoskelett, also biologische Filamente mit assoziierten Proteinen, Strukturen wie den Spindelapparat erzeugt. Letzterer bestimmt unter anderem die Ebene der Zellteilung und besteht aus sich überlappenden Mikrotubuli, die stetig wachsen und schrumpfen. Dennoch ist die Größe der Gesamtstruktur durch Proteine, welche Länge und Überlapp der Filamente regulieren, stabilisiert. Während Längenregulation von Filamenten bereits untersucht wurde, ist das Verständnis der Überlappdynamik noch lückenhaft.
Nach der Vorstellung der Bestandteile des Zytoskeletts und bereits bekannter Phänomene wechselwirkender Partikel und überlappender Filamenten zeige ich, dass sterisch wechselwirkende, diffusive und gerichtet bewegte Partikel sich entlang eines Filaments in zwei Phasen trennen. Verbinden diese Partikel antiparallele Filamente, so können sie stabile Überlappe erzeugen, sowohl mit als auch ohne sterische Wechselwirkung zwischen den Spezies. Die Ergebnisse der Simulationen sind im Einklang mit Experimenten. Basierend auf der Analyse der Interaktion zweier Filamente wird eine vergröberte Theorie für Filamentbündel entwickelt, welche wesentliche Charakteristika von Spindeln reproduzieren kann
Instabilities of active polar fluids in the Taylor-Couette geometry and migration analysis of human immune cells
No full textEine wesentliche Eigenschaft lebendiger Materie ist ihre „Aktivität“, also die Fähigkeit, chemische in mechanische Energie umzuwandeln. Das Konzept des „aktiven polaren Fluids“ ermöglicht eine Kontinuumsbeschreibung einer Vielzahl von biologischen Systemen unter besonderer Berücksichtigung gebrochener räumlicher Symmetrien. Wir untersuchen die Dynamik eines solchen Fluids in einer planaren Taylor-Couette-Geometrie, einer ebenen Fläche, die durch konzentrische Zylinder begrenzt wird. Wir finden in Abhängigkeit von der Aktivität des Systems eine Vielzahl spontaner Strömungsmuster, insbesondere auch in Abwesenheit externer Drehmomente.
Als Beispiel für ein aktives System analysieren wir die Migration von CD8⁺ T-Zellen und Natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), zweier wesentlicher Bestandteile des menschlichen Immunsystems. Die zugrunde liegenden in-vitro Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Markus Hoth (Lehrstuhl für Biophysik, Universität des Saarlandes) durchgeführt. Von besonderem Interesse sind dabei die Geschwindigkeit sowie die Persistenz der Bewegungsrichtung der Zellen. Wir modellieren die Bewegung der Zellen als persistenten Random Walk mit Ruhezeiten und vergleichen dies mit alternativen Modellen.An essential property of living matter is its “Activity”, i.e. its ability to transform chemical into mechanical energy. The concept of “active polar fluids” enables us to mathematically describe a large class of such biological systems while considering broken spatial symmetries. We analyze the dynamics of an active polar fluid in a planar Taylor-Couette geometry. i.e. a planar space bounded by two concentric cylinders. Depending on the system's activity we find several classes of spontaneous flow patterns, even in the absence of external torques.
As an example of an active system, we analyze the migration of CD8⁺ T-cells as well as natural killer cells (NK cells), which are essential components of the human immune response. The in-vitro experiments have been performed by members of the group of Markus Hoth (Biophysics, Saarland University). We are especially interested in the velocities as well as the persistence of direction of the cells' motion. We model the motion as persistent random walks with resting phases and compare this model to alternative ones
Actin waves in the context of cell migration
No full textLebende Zellen bilden ein faszinierendes System, das sich ernährt, wächst, sich selbst repliziert, selbstorganisiert und bewegt. Abhängig vom Zelltyp und den Umgebungsbedingungen können unterschiedliche Arten der Bewegung identifiziert werden. Dictyostelium discoideum, eine spezielle Art aus der Klasse der Schleimpilze, kriecht auf festen Unterlagen durch die Ausbildung und das Zurückziehen von Ausstülpungen am Leitsaum der Zelle. Die dabei entstehenden unregelmäßigen Bewegungsmuster werden als amöboidale Bewegung charakterisiert. Eine entscheidende Rolle bei der Bewegung von Zellen spielt das Zytoskelett, ein hochdynamisches Netzwerk fadenförmiger Polymere, das sich dauerhaft außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts befindet. Viele experimentelle Ergebnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass die Entstehung der Ausstülpungen durch Polymerisation von Aktinfilamenten, eines der Polymere des Zytoskeletts, hervorgerufen wird. Bei der Organisation des Aktinnetzwerkes werden in diesem Zusammenhang propagierende Wellen beobachtet. Diese Wellen könnten für die Organisation der einzelnen Komponenten des Zytoskeletts während der Zellbewegung verantwortlich sein. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir einen spezifischen Mechanismus zur Erzeugung spontaner Wellen im Kontext der Zellbewegung. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Wechselwirkung der Polymerisationswellen mit der Zellmembran, die mit Hilfe eines Phasenfeld-Ansatzes untersucht wird. Neben den Zuständen gerichteter Bewegung zeigen die numerischen Lösungen ein unregelmäßiges Muster scheinbar zufälliger Bewegung, das mit Spiralwellen in der Aktinverteilung verknüpft ist. Diese Art der Fortbewegung erinnert stark an die Bewegung kriechender Zellen und wurde in Dictyostelium discoideum und dendritischen Zellen experimentell beobachtet. Weiterhin lässt sich konstatieren, dass amöboidale Bewegung im Wesentlichen durch die deterministische, chaotische Dynamik der Aktinfilamente hervorgerufen wird. Wir zeigen darüber hinaus, dass die Zelle in der Lage ist, mit Hilfe spontaner Polymerisationswellen des Zytoskeletts topographische Strukturen zu erspüren und ihre Bewegung durch die Geometrie der Struktur geleitet wird.Living cells constitute a fascinating system that feeds, grows, replicates, self-organizes and moves. Depending on the cell type and environmental conditions, different kinds of motion can be identified. Dictyostelium discoideum, a slime mold, can crawl on solid substrates using protrusions along the cell periphery. The resulting irregular patterns of motion are characterized as amoeboidal cell crawling. The cell’s ability to crawl depends to a large extent on the cytoskeleton, a highly dynamic network of filamentous polymers, that is constantly kept out of thermodynamic equilibrium. A large number of recent experimental evidence indicates that the protrusions result from polymerization of actin filaments, one of the polymers of the cytoskeleton. Spontaneous formation of actin polymerization waves has been observed. These waves have been proposed to orchestrate the cytoskeletal dynamics during cell crawling. In this thesis we investigate a specific mechanism of actin wave generation in the context of cell migration. An important aspect is the interaction between polymerization waves and the cell membrane, which we study using a phase-field approach. Numerical solutions show two distinct modes of motion. Firstly, a state of directed motion and secondly, a pattern of seemingly random motion that is connected to spiral actin waves in the cell interior. This kind of motion is reminiscent of amoeboidal cell crawling and has been observed experimentally in Dictyostelium discoideum and dendritic cells. We show further that amoeboidal motion results from a deterministic, chaotic dynamic of actin filaments and does not require noise. In addition, we show that polymerization waves are able to sense topographical structures and are capable of adapting the cell’s motion to the constraints given by this environment
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