Der Weg hin zum kompetenzorientierten Lehren und Lernen und damit die Einführung von Bildungsstandards steht im Zentrum gegenwärtiger schultheoretischer Diskussionen. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Diskurs aufgegriffen und gezeigt, dass die schulpraktische Umsetzung dieser „Outputorientierung“ eine vielschichtige und komplexe ist. Im Fokus der theoretischen Betrachtungen der Arbeit stehen die Themen Selbststeuerung und Selbstorganisation beim Lernen, Lernziele, Bildungsstandards und Kompetenzorientierung. Die empirische Studie analysiert, basierend auf den theoretischen Erörterungen, die Möglichkeiten der Steigerung der Fremdsprachenkompetenz von Schülerinnen und Schülern. Erforscht wird dies am Beispiel des webbasierten adaptiven Systems des Englisch-Assistenten bzw. Englisch.Digital. Es wurden fünf Explorationen auf Basis von drei Fragebogenuntersuchungen sowie Informelle Kompetenzmessungen (IKM) mit 75 Schüler/‑innen zweier österreichischer Hauptschulen der achten Schulstufe durchgeführt. Die Untersuchung richtete sich auf die hypothesentestende Exploration von vier Konstrukten (Allgemeine Selbstwirksamkeitserwartung – Selbsteinschätzung, Spezielle Selbstwirksamkeitserwartung im Unterrichtsfach Englisch im Bereich Lesen – Selbsteinschätzung, Selbstregulation – Selbsteinschätzung und spezielle Fremdsprachenkompetenz im Bereich Lesen – Selbsteinschätzung und Informelle Kompetenzmessung). Die Untersuchung zeigt ein differenziertes Bild in Bezug darauf, welche Schülergruppen vom digitalen Medienangebot des Englisch-Assistenten (Englisch.Digital) am stärksten profitieren, durchgehend signifikante Ergebnisse konnten in den fünf Explorationen nicht erzielt werden, was unterschiedliche Gründe haben kann (z. B. Unterschiede in den individuellen Wirkungen oder in den Unterrichtsprozessen oder auch Beschränkungen des Studiendesigns). Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Frage nach den Wirkungen von digitalen Medien einer weiteren Ausdifferenzierung bedarf und keine allgemeingültigen Aussagen diesbezüglich getroffen werden können, dass digitale Medien per se eine bestimmte Lernwirkung erzeugen. Es ist festzuhalten, dass es nicht ausreichen wird, neue Technologien zu den traditionellen Lehr- und Lernmethoden lediglich hinzuzufügen, es hat auch ein Wandel der Unterrichtsstruktur zu erfolgen (vgl. Dittler, 2003, S. 193 und Lembke & Leipner, 2015, S. 181). Eine Möglichkeit für dies und für die Umsetzung bzw. Anwendung von Informationskompetenz bietet der in dieser Arbeit analysierte Englisch-Assistent (Englisch.Digital). / The road to competency-based teaching and learning, and thus the introduction of educational standards, is at the heart of current educational debate. This doctoral dissertation takes up this discussion and shows that the practical implementation in schools is a multi-layered, multi-faceted and complex one. The focus of the theoretical discussion of the current paper is the fields of self-control and self-organization of learning, learning objectives, educational standards and competence orientation. The empirical study analyses, based on the theoretical considerations, the opportunities for developing pupils’ skills in the foreign language (English). This is explored using the web-based adaptive version of the “English Assistant” or “Englisch.Digital”. Five explorations based on three questionnaires and informal competence measurements (IKM) with 75 pupils (grade eight) were carried out at two Austrian secondary schools. The empirical study focused on (the hypothesis testing) exploration of four constructs (self-assessment of general self-efficacy, self-assessment of special self-efficacy in reading, self-assessment of self-regulation and self-assessment and informal competence measurements of specific skills in reading in the foreign language). The study shows a mixed picture with respect to which groups of students benefit the most from the digital media offer of Englisch.Digital. Consistent significant results in the five explorations could not be obtained, which may be due to any of a number of different reasons (e.g. differences in individual effects/reactions, the teaching processes or limitations of the study design). To summarise, it can be stated that the question of the effects of digital media requires further differentiation and no general conclusions can be drawn with respect to the supposition that digital media produce a certain learning effect per se. It should be noted that it will not suffice to merely add new technologies to the traditional teaching and learning methods, changes to teaching structures will also have to be made (cf. Dittler, 2003, p. 193 and Lembke & Leipner, 2015, p. 181). The English Assistant (Englisch.Digital) analysed in this dissertation offers one possible solution for this and also the problem of the transposition or implementation of information literacy.

The GRP 5000 is a track measuring trolley capable of collecting track geometry data and performing clearance analyses based on laser scanning technology. The obtained laser data can also be used for as-built documentation, and the track recording functionality makes applications such as surveying, tamping assistance and slab track construction possible. The accuracy, huge data amount and time efficiency by which the system operates sets a new standard in railway surveying, and outdates traditional methods of manual and visual inspection. This thesis is a case study of the GRP 5000 with several objectives: a functional and technical description of the system is given; the accuracy of the system is evaluated, showing overall good values except for one of the sensors used; comparisons are made to other railway surveying techniques, such as track recording vehicles, manual devices and other track recording trolleys; possible improvements are pointed out, both based on comparison results as well as testing results. Finally, new and innovative ways of using the trolley, such as offtrack usage, as well as for the obtained laser data, such as GIS, maintenance aspects and CFD aspects, are examined.

Gesichterwahrnehmung und –gedächtnis («Gesichterkognition») sind wesentliche Facetten der sozialen Intelligenz, und deren Entwicklung gehört zu einem zentralen Forschungsthema. Jedoch besteht eine Kontroverse über die Frage der frühen oder späten Reifung diesen Fähigkeiten. Die Varianz wird dabei meist ignoriert, wodurch die Fragestellung "frühe vs späte Reifung" möglicherweise verkürzt wird, denn in den unterschiedlichen Kohorten können sich starke individuelle Unterschiede in Gesichterkognition zeigen. Außerdem machen es Lücken in der Untersuchung der Varianz unmöglich, die Assoziation der Gesichterkognition mit allgemeinen kognitiven Prozessen zu verfolgen, und die Spezifität der Gesichterkognition in der Kindheit und Adoleszenz bleibt offen. Basierend auf den früheren differenzialpsychologischen Untersuchungen der Struktur der Gesichterkognition und der Varianz bei Erwachsenen wurde in Rahmen der aktuellen Dissertation dieser Ansatz für die Kindheit und Adoleszenz adaptiert. Basierend auf den Ergebnissen von 338 Kindern und Jugendlichen wurden folgende Schlussfolgerungen formuliert: a) der Ansatz für die Untersuchung der Varianz ermöglichte das 2-faktorielle Modell der Gesichterkognition (Gesichterwahrnehmung und Gesichtergedächtnis) zu replizieren und die Invarianz dieser Struktur über Kindheit und Adoleszenz zu demonstrieren; b) aktueller Ansatz ermöglichte es, signifikante altersbedingte Leistungsunterschiede in beiden latenten Faktoren zu zeigen; c) Obwohl das Niveau der Reifung der Gesichterkognition in hohem Maße mit der allgemeinen kognitiven Entwicklung verbunden ist, sind die Gesichterwahrnehmung und das Gesichtergedächtnis im Vergleich zur Objekterkennung spezifisch und haben einen besonderen sozialen Charakter. Die aktuelle Dissertation enthält eine Reihe von methodischen Empfehlungen, die mit der Messung der Gesichterkognition in der Kindheit und Adoleszenz verbunden sind, insbesondere - die Entwicklung der multivariaten Messung. / Face perception and memory ("face cognition") are basic facets of social intelligence, and their development is a central topic for developmental science. Nevertheless, there is acute controversy over the issue of early or late maturation of these abilities. In addition, variance in face cognition abilities was ignored so far, leading to the absence of information, how children in a given age cohort differ in these abilities and making it impossible to investigate the association of face cognition abilities with general cognitive abilities; hence, the question about the specificity of face cognition abilities in childhood and adolescence remains open. Based on the earlier differential psychological studies of the structure of face cognition and variance in adulthood, within the current dissertation this approach was adopted to childhood and adolescence. Based on the results of 338 children and adolescents, the following conclusions were formulated: a) the individual differences approach allowed to establish the 2-factorial model of face cognition abilities (face perception and face memory) and to demonstrate invariance of this structure across childhood and adolescence; b) current approach allowed to demonstrate substantial age-related performance differences in both latent factors; c) although the level of maturation of face cognition is highly associated with general cognitive development, face perception and face memory are specific and have a social character compared to object recognition. The current dissertation contains a number of methodological recommendations related to the measurement of face cognition in childhood and adolescence, most important - the development of multivariate measurement.

Bakterien der Gattung Shigella sind die Erreger der bakteriellen Ruhr beim Menschen. Der wesent-liche Virulenzfaktor der Shigellen ist ihre Fähigkeit zur Invasion. Die Invasion in Epithel-zellen ist Ausdruck des erregerspezifischen Infektionsprozesses, der gekennzeichnet ist durch eine vom Bakterium induzierte zelluläre Aufnahme über einen Phagozytose-ähnlichen Mechanismus. In dessen Verlauf führt die charakteristische Reorganisation des Zytoskeletts der Zelle zur Ausbildung einer blütenartigen Membranstruktur an der bakteriellen Eintrittsstelle. Als essentielles Glied der Signalisationskaskade vom Bakterium zum zellulären Zytoskelett erwies sich das kleine G-Protein Rho. Es wurde gezeigt, daß Rho als Regulator der Veränderungen des Zytoskeletts selbst an den bakteriellen Invasionslocus rekrutiert wird. Diese Rekrutierung umfaßt drei Isoformen von Rho: RhoA, RhoB und RhoC. Trotz hoher Sequenzhomologie der Isoformen untereinander ( 85% ) existiert ein unterschiedliches Rekrutierungsmuster dieser Isoproteine an der Eintrittsstelle von Shigella flexneri. RhoA akkumuliert vorwiegend um die eindringenden Bakterien herum. Demgegenüber werden RhoB und RhoC in die bakterieninduzierten zellulären Protrusionen rekrutiert. Der Mechanismus dieser isoformspezifischen Rekrutierung ist nicht bekannt. Anhand unserer Experimente konnten wir zeigen, daß das allen kleinen G-Proteinen gemeinsame C-terminale Peptid-Motiv CAAX ( C = Cystein, A = aliphatische Aminosäure, X = Leucin ) eine wesentliche Voraussetzung für die Rekrutierung von Rho darstellt, sich die isoformspezifische Rekrutierung jedoch nicht anhand des CAAX-Motivs erklären läßt. Bedeutsam für die differentielle Rekrutierung der Isoproteine ist vielmehr die präterminale Region des Moleküls. Diese Beobachtung hat weitreichende Konsequenzen für die funktionelle Rolle von Rho bei der Epithelzellinvasion durch Shigella. / Shigella is the etiologic agent of human bacillary, an infectious large bowel disease. A major feature of Shigella's pathogenic potential is the capacity to invade epithelial cells. Shigella entry into epithelial cells is considered a parasite-induced internalization requiring cytosceletal rearrangements; Shigella entry induces a blossom-like membrane structure at the bacterial entry site. This membrane folding process is dependent on the small GTPase rho. It has been shown that three rho isoforms rhoA, rhoB and rhoC are recruited into bacterial entry sites with different localization relative to the membrane structures. While rhoA preferentially accumulates in close vicinity to entering bacteria, rhoB and rhoC are recruited into the tips of Shigella-induced cellular protrusions. We could show that the C-terminal CAAX-region of rho is a prerequisite for recruitment, but not sufficient for different recruitment of rho isoforms. Additional information for differential recruitment patterns seems to come from the preterminal region of rho proteins. This result is of great importance for the functional role of rho during Shigella-invasion into epithelial cells.

Die Dissertation untersucht 1) welche Cues Kinder und Erwachsene in ihrer Cuebox haben, d.h. welche Cues für Inferenzen herangezogen wird, 2) wie Intuition über die Wichtigkeit von Cues die Informationssuche beeinflusst, und 3) wie das Framing eines Problems und das experimentelle Design die Intuition beeinflussen. Das erste Projekt untersucht den Effekt verschiedener Domänen und Objektrepräsentationen auf Erfragungsstrategien von Kindern und Erwachsenen in einer Kategorisierungsaufgabe. Ergebnisse zeigen, dass eine Basis-Level-Repräsentation (z.B. Hund) das Generieren von höher geordneten Merkmalen, welche die Objekte innerhalb einer übergeordneten Kategorie unterscheiden, für Kinder erleichtern und dadurch benutzt werden können, um effektive Fragen zu stellen. Dieser Effekt wurde nicht gefunden, wenn Kinder nicht selbst solche Merkmale generierten, sondern aus einem vordefinierten Set auswählen mussten. Das zweite Projekt untersuchte Kinder und junge Erwachsene bezüglich zweier Inferenzprobleme. In einer Bedingung mussten Cues selbst generiert werden, in einer anderen wurde ein Set von Cues vorgegeben. Ergebnisse zeigen, dass nur, wenn Cue selbst generiert wurden, junge Kinder gleich gut oder besser als ältere Kinder oder Erwachsene abschnitten, da sie Cues generierten, die ebenso informativ waren wie die der anderen beiden Altersgruppen. In dem dritten Projekt wurde getestet, wie die Art, Anzahl und Qualität der Cues die Fähigkeit von Kindern und jungen Erwachsenen beeinflusst, die informativsten Cues zu generieren bzw. auszuwählen. Ergebnisse zeigen, dass die Cuebox von Kindern mehr perzeptuelle Cues beinhaltet als jene junger Erwachsener. Dennoch war der Informationsgehalt der generierten Cues in beiden Gruppen gleich. Junge Erwachsene zeigten die Tendenz, nicht-perzeptuelle Cues systematisch als informativer zu erachten als perzeptuelle Cues. Kinder zeigten die gleiche Tendenz nur dann, wenn sie aus einem vordefinierten Set auswählen mussten. / My dissertation addresses the questions 1) what cues children and adults have in their cuebox (i.e., the set of cues available for making inferences or categorizing), 2) how people’s intuition about the importance of the cues drives their information search, and 3) how the framing of a problem and the experimental design influence these intuitions. A first project investigated developmental differences in how children and adults solve a sequential binary categorization task. Results show that, apart from age-related differences, children’s but not adults’ inquiry strategies improve if objects are represented at the basic level (e.g., dog) but not if represented at the subordinate level (e.g., Dalmatian) or when the basic level is specified by additional features (e.g., dog, kennel, to wag, collar). Explanations are that, unlike other representations, basic level objects trigger features that are useful for categorization, and therefore help children ask more effective questions. A second project tested children and young adults on two inference problems, by manipulating whether cues were generated or given. Results show that, only when generating their own cues, younger children matched or even outperformed the accuracy of older children and young adults, by generating cues that were as informative as the those generated by older children and young adults. A third project examined the type, amount and informativeness of the cues in people’s cuebox. Further, it investigated the influence of the type of cues on the ability of children and young adults to generate or select the most informative cue available. Results show that children’s cuebox contains more perceptual cues than young adults’. We found no difference between the two age groups in terms of informativeness of the cues generated. Young adults showed the tendency to systematically consider non-perceptual cues more informative than perceptual cues. Children showed such tendency only in a cue-selection task.

Shigellen sind Erreger der bakteriellen Dysenterie beim Menschen. Ein notwendiger Schritt bei der Pathogenese der Shigellose ist die Invasion von Darmepithelzellen durch das Bakterium. Der Mikroorganismus löst dabei in der Wirtszelle Veränderungen des Aktinzytoskeletts aus, die zur Bildung einer blütenähnlichen Membranstruktur und schließlich zur Internalisierung des Pathogens führen. Diese Umbauvorgänge am Zytoskelett sind abhängig von einem Wirtszellprotein, der kleinen GTPase Rho. Drei Isoformen von Rho (A, B und C) sind beschrieben, deren Aminosäuresequenzen zu etwa 90% identisch sind. Während der Zellinvasion durch Shigella akkumulieren verschiedene Rho-Isoformen an unterschiedlichen Lokalisationen des Invasionskomplexes. Dabei werden RhoA vorwiegend um die eindringenden Bakterienherum, RhoB und RhoC hingegen hauptsächlich in die bakterieninduzierten zellulären Protrusionen rekrutiert. Durch Untersuchung von Rho-Hybridkonstrukten konnte gezeigt werden, daß ein prä-C-terminales, acht Aminosäuren umfassendes Modul die Rekrutierungsmuster von RhoA bzw. RhoC bestimmt. Der Austausch zweier Aminosäuren innerhalb des Moduls führte zu einer Konversion des Rekrutierungsmusters von RhoA. Wir konnten zeigen, daß die Rekrutierung von RhoA vom Funktionszustand der GTPase (Bindung von GTP/GDP) sowie von der Phosphorylierung durch die Proteinkinase A unabhängig ist. Schließlich wurde hier nachgewiesen, daß auch RhoD, das zu RhoA, B und C auf der Primärstrukturebene nur zu etwa 50% homolog ist, an die Bakterieneintrittsstelle rekrutiert werden kann. RhoD folgt dabei dem Rekrutierungsmuster von RhoB und RhoC. / Shigella causes bacillary dysentery in humans. Bacterial invasion of enterocytes is an essential step in the pathogenesis of shigellosis. Pathogen-triggered rearrangements of the host cell actin cytoskeleton induce a blossom-like membrane structure for internalisation of the microorganism. Actin remodeling requires activity of the host cell small GTPase rho. Three highly homologous rho isoforms (A, B and C) have been described with amino acid identities of about 90%. During Shigella invasion these rho isoforms accumulate at different sites of the invasion complex. While rhoA is chiefly recruited around entering bacteria, rhoB and rhoC are essentially translocated to the bacteria-induced cellular protrusions. Using a variety of rho hybrid constructs in a HeLa cell transfection-infection assay we were able to show that a pre-C-terminal stretch of eight amino acids determines the recruitment patterns of rhoA and rhoC. Exchange of two amino acids was sufficient for conversion of the rhoA recruitment pattern into a rhoC-like pattern. We could demonstrate that rhoA recruitment is independent of its functional state (GDP- or GTP-bound) or phosphorylation by the proteinkinase A (PKA). Finally, we have shown that rhoD, another member of the rho family which shares only 50% of its primary structure with rhoA, B or C, is also recruited to the bacterial entry site exhibiting a rhoB/C-like pattern of distribution.

Kreativität – die Generierung und Verwertung von Ideen – und Psychopathologie werden schon seit langem miteinander in Verbindung gebracht. Jedoch wurde der Einfluss interkultureller Faktoren bisher weitgehend in der Fachliteratur ignoriert. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass (1) Kreativität und Selbstverwirklichung kaum miteinander assoziiert sind, dass (2) Kreativität allerdings stark mit schizotyper Persönlichkeitsstörung verbunden ist, jedoch zeigen Menschen mit schöpferischen Leistungen verminderte Schizotypie-Symptome und es gibt einen Geschlechterunterschiede. Deshalb zeigt diese Dissertation (3), dass die Assoziation zwischen Kreativität und Schizotypie durch einen kulturellen Faktor (Deutsch, Russisch) moderiert wird. Die Ergebnisse werden diskutiert im Hinblick auf die kultur-unabhängige Validität der Konstrukte Kreativität, Schizotypie und Selbstverwirklichung, hinsichtlich psychometrischer Probleme bei der Erfassung dieser Konstrukte und hinsichtlich der Rolle für die allgemeine und spezifische mentale Gesundheit. Zukünftige Studien sollten eine wie hier vorgeschlagene Unterscheidung zwischen schöpferischen Leistungen und Kreativität als kognitives Konstrukt bzw. als Teil psychopathologischer oder persönlichkeitsrelevanter Aspekte vornehmen. Darüber hinaus sind die Hinzunahme von Aspekten, die Kultur, Geschlecht und Alter unterscheiden, sinnvoll. Unsere Resultate leisten einen Beitrag zur kulturellen Psychologie, indem sie das Wissen erweitern, wie die Kreativität-Schizotypie Assoziation durch kulturelle Faktoren beeinflusst wird und inwieweit schöpferische Leistungen und kognitive kreative Fähigkeiten diesbezüglich divergieren. Dies bedeutet, dass der humanistische Ansatz unterstützt wird, welcher zeigt, dass Selbstverwirklichung und kreative Fähigkeiten nicht unmittelbar auf ähnliche Persönlichkeitseigenschaften zurückzuführen sind. / Creativity – the generation of novel and appropriate ideas – and psychopathology have been associated for a long time. However, the impact of cross-cultural influence has been somewhat neglected in the literature. The present dissertation demonstrates that (1) creativity is barely related with self-actualization and that, nevertheless, (2) creativity has a strong association with schizotypal personality disorder. However, people with real-life creative achievements showed decreased schizotypy and there are gender differences regarding creative capacities. (3) The creativity – schizotypy link is likely to be moderated by cultural differences between Russians and Germans. Results are discussed with regard to culture-independent validity of the constructs creativity, schizotypy, and self-actualization, with regard to the problem of psychometrical assessment of these constructs, and with regard to a role of creativity in good mental health. Future studies might account for how real-life creativity differs from cognitive creative abilities in other psychopathological and personality aspects, how culture influences the creativity – self-actualization association, and whether the association of creativity with schizotypy and self-actualization is consistent in other age groups. Conclusively, these results contribute to cultural psychology of creativity by extending how the creativity – schizotypy association varies between cultures, as well as by pointing out the differences between real-life creative achievements and cognitive creative abilities. Furthermore, the results extend the humanistic approach showing that self-actualization and creative abilities may not rely on similar personality characteristics.

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik hat sich in der Praxis als vielseitige Theorie bewährt, dennoch deuten nichtverschwindende Neutrinomassen, dunkle Materie und Baryonenasymmetrie auf Physik jenseits des SM (BSM) hin. Um also ein mit den Beobachtungen konsistentes Modell zu entwickeln, ist eine umfassendere Theorie nötig. Experimentell kann entweder in Abweichungen von den Vorhersagen des SM nach neuer Physik gesucht werden. So kann jedes BSM-Szenario getestet werden. In dieser Arbeit werden BSM-Szenarien im Quark- sowie im Leptonen-Sektor und deren phänomenologische Konsequenzen auf messbare Observablen betrachtet. Ein konkretes Beispiel in dieser Dissertation sind Neutrino massen modellierung mit der Einführung von sterilen Neutrinos. Wir untersuchen die phänomenologische Konsequenz ihrer Einführung auf verschiedenen Massenskalen im Zusammenhang mit symmetriegenerierten oder strukturlosen Neutrinomassenmodellen. Unter den geschmacksabhängigen aktivsterilen Mischungen in den durch Symmetrie erzeugten Massenmodellen finden wir deutliche Hierarchien, die als Modelldiskriminator für zukünftige Experimente dienen. Ähnlich wie beim Ausnutzen von Symmetrien im Neutrinosektor, kann man Symmetrien auch in Modellen für Quarkmassen nutzen. In dieser Arbeit werden Symmetrien behandelt, die den Cabibbo-Winkel für Quarkmischung in führender Ordnung quantisieren können. Dies führt zu einer Vielzahl möglicher Symmetrien, welche genutzt werden können um spezifische Modelle für Quarkmassen zu entwickeln. BSM-Physik indirekt mit Hilfe astrophysikalischer Neutrinos zu testen stellt eine Alternative zur direkten Detektion dar, und führt bei Betrachtung der Zusammensetzung des NeutrinoFlavours zu klaren Abweichungen von den Erwartungen. Neben der Behandlung verschiedenster BSM-Szenarien wird auch das Potenzial zukünftiger Experimente betrachtet, vor Allem im Hinblick auf deren Effektivität Physik jense. / The Standard Model (SM) of particle physics is a well-tested and predictive theory, however non-zero neutrino masses, the existence of dark matter, and the baryon asymmetry suggest physics beyond the SM. Thus, in order to have a model consistent with observations, a more complete theory is needed. Experimentally, one can search for new physics, thereby differentiate different BSM scenarios. We consider BSM scenarios in the quark and lepton sectors, and study their phenomenological consequence on measurable observables. A specific example is neutrino mass modeling with the introduction of sterile neutrinos. We study the phenomenological consequence of introducing them at different mass scales in the context of symmetry-generated or structureless neutrino mass models. We find distinct hierarchies among the flavor-dependent active-sterile mixings in the symmetry-generated mass models, which acts as a model discriminator for future experiments. Similarly as using symmetries in the neutrino sector, one can also use symmetries in quark mass models. This thesis consider symmetries capable of quantizing the Cabibbo quark mixing angle to leading order. As a result, a variety of possible symmetries are obtained, which can be used to build specific quark mass models. Probing BSM physics indirectly via astrophysical neutrinos, acts as an alternative to direct detection, and using the neutrino flavor composition as observable, BSM physics leads to clear deviations from expectation. Additional information comes from other effects, and it helps in constraining the parameter space further. Beside discussing different BSM scenarios, we illustrate the potential of future experiments, emphasizing their effectiveness to test and discriminate BSM physics.

Das stäbchenförmige Bakterium Escherichia coli teilt sich in zwei gleich große Tochterzellen. Dies ist nur möglich, wenn sich die Zelle in der Mitte teilt. Bei E. coli wird die Zellteilung durch den Zusammenschluss der FtsZ-Proteine an der Membran zum Z-Ring eingeleitet. Topologische Regulierung des Z-Ringes erfolgt durch räumlich-zeitliche Oszillationen von Min-Proteinen zwischen den beiden Zellpolen. MinC, MinD und MinE binden an und lösen sich von der Membran unter Hydrolyse von ATP und in antagonistischer Art und Weise, was zu einer alternierenden Ansammlung von MinC und MinD an den Zellpolen führt. Gemittelt über die Zeit ergibt sich somit ein MinD-Verteilungsprofil, das maximale Konzentration an den Zellpolen und ein Minimum in der Zellmitte aufweist. MinC bindet an MinD und folgt somit seiner Verteilung. Der Zusammenschluss von FtsZ-Proteinen wird durch MinC unterbunden, und somit kann sich der Z-ring nur an einer Position herausbilden, die ein Minimum an MinC aufweist - der Zellmitte. Das Min-system wurde in der Vergangenheit auch mit einem in-vitro-Ansatz untersucht, indem Min-Proteine in künstliche, aufliegende Lipiddoppelschichten (supported lipid bilayers, SLB) rekonstitutiert wurden. Dabei bildeten die Min-Proteine kein oszillierendes Muster aus, sondern organisierten sich vielmehr in parallelen und propagierenden Wellen (Loose, 2008, Science, 320). In diesen in-vitro-Experimenten war das Membransubstrat wesentlich größer als die Wellenlänge der Min-Proteinwellen. In vivo hingegen ist die Länge der Zelle in der gleichen Größenordnung wie die charakteristische Länge des Oszillationsmusters der Min-Proteine. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den Einfluß einer beschränkten Fläche und geometrischer Formgebung der künstlichen Lipiddoppelschichten auf die Wellenpropagation der Min-Protein zu untersuchen. Flächige Beschränkung künstlicher Membranen erfolgte durch Mikrostrukturtechnologie. Deckglässchen wurden mit einer Goldschicht und mikroskopischen Aussparungen unterschiedlicher geometrischer Formen strukturiert. Funktionale SLBs bildeten sich nur auf Glasflächen ohne Goldbeschichtung aus. Nach der Rekonstitution der Min-Proteine, organisierten sich diese auf den Membranstücken in parallele Wellen. Dabei bestimmte die flächige Beschränkung der künstlichen Membranen die Ausbreitungsrichtung der Min-Proteinwellen. Min-Proteinwellen konnten entlang gekrümmter Membranstreifen, in Ring- und sogar in Slalomstrukturen geleitet werden. In geraden, länglichen Strukturen richteten sich die Wellen entlang der längsten Achse aus. Kopplung von Proteinwellen auf räumlich getrennten Membranstücken in Abhängigkeit des Abstandes und des sogenannten Molecular Crowdings in der wässrigen Lösung konnte ebenfalls beobachtet werden. Diese Kopplung ist ein Indiz für inhomogene Proteinverteilungen in der Lösung oberhalb der Membran. Desweiteren konnten Min-Proteinwellen auch in diversen dreidimensionalen künstlichen Membranen rekonstitituiert werden. Im Wildtyp von E. coli ähneln die Min-Proteindynamiken der einer Oszillation mit einer charakteristischen Länge von 5 µm. Auf SLBs, bilden Min-Proteine Wellen mit einer Wellenlänge aus, die ca. zehnmal größer ist als in vivo. Dieser Unterschied zwischen der in-vivo- und der in-vitro-Welt wurde untersucht und diskutiert. In vitro konnte die Wellenlänge um 50 % durch Erhöhung des Molecular Crowding in der Lösung sowie um 33 % durch Temperaturerhöhung verkleinert werden. Das oszillierende Muster könnte dahingegen eine Folge der Kompartimentierung sein. Erste Versuche, das Min-System in geschlossene Membrankompartimente zu rekonstitutieren, wurden getestet. / Escherichia coli, a rod-like bacterium, divides by binary fission. Cell division into two daughter cells of equal size requires that fission takes place at a midcell position. In E. coli, cell division is initiated by assembly of the FtsZ-proteins at the inner membrane to the Z-ring. Topological regulation of the Z-ring is achieved by spatiotemporal pole-to-pole oscillations of Min-proteins. MinC, MinD and MinE bind to and detach from - under hydrolysis of ATP - the membrane in an antagonistic manner leading to an alternating accumulation of MinC and MinD at the cell poles. Averaged over time, the distribution profile of MinD exhibits maximal concentration at the cell poles and a minimum at the cell center. MinC binds to MinD and thus follows its distribution. FtsZ assembly is inhibited by MinC and therefore the Z-ring can only form at a cell position low in MinC - at the cell center. In the past, the Min-system was also investigated in an in vitro approach by reconstitution of Min-proteins into a supported lipid bilayer (SLB). Here, Min-proteins did not self-organize into an oscillatory pattern but into parallel and propagating waves (Loose, 2008, Science, 320). In this in vitro assay, the membrane substrate was infinitely large compared to the wavelength. However, in vivo, the cell length is on the same order of magnitude as the respective length scale of the oscillatory pattern of Min-proteins. Therefore, we wished to investigate the effect of lateral confinement and geometric structuring of artificial lipid bilayers on the Min-protein wave propagation. Lateral confinement of artificial membranes was achieved by microfabrication technology. Glass slides were patterned by a gold coating with microscopic windows of different geometries, and functional SLBs were only formed on uncoated areas. Upon reconstitution, Min-proteins organized into parallel waves on the geometric membrane patches. Confinement of the artificial membranes determined the direction of propagation of Min-protein waves. Min-protein waves could be guided along curved membrane stripes, in rings and even along slalom-geometries. In elongated membrane structures, the protein waves always propagate along the longest axis. Coupling of protein waves across spatially separated membrane patches was observed, dependent on gap size and level of molecular crowding of the aqueous media above the bilayer. This indicates the existence of an inhomogeneous and dynamic protein gradient in the solution above the membrane. Furthermore, reconstitution of Min-protein waves in various three-dimensional artificial membranes was achieved. In wild-type E. coli, Min-protein dynamics resemble that of an oscillation with a characteristic length scale of 5 µm. On supported lipid bilayers, Min-proteins self-organize into waves with a wavelength approximately 10-fold larger than in vivo. These discrepancies between the in vivo and in vitro world were investigated and discussed. In vitro, the wavelength could be decreased by a factor of 50 % by increase of the molecular crowding in solution and by 33 % through temperature increase. The oscillatory pattern is thought to be a consequence of compartmentalization and first attempts to encapsulate the Min-system in closed bilayer compartments are presented.

Les algorithmes Branch and Bound (B&B) sont attractifs pour la résolution exacte de problèmes d'optimisation combinatoire (POC) par exploration d'un espace de recherche arborescent. Néanmoins, ces algorithmes sont très gourmands en temps de calcul pour des instances de problèmes de grande taille (exemple : benchmarks de Taillard pour FSP) même en utilisant le calcul sur grilles informatiques [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. Le calcul massivement parallèle fourni à travers les plates-formes de calcul hétérogènes d'aujourd'hui [TOP500 ] est requis pour traiter effi cacement de telles instances. Le dé fi est alors d'exploiter tous les niveaux de parallélisme sous-jacents et donc de repenser en conséquence les modèles parallèles des algorithmes B&B. Dans cette thèse, nous nous attachons à revisiter la conception et l'implémentation des ces algorithmes pour la résolution de POC de grande taille sur (larges) plates-formes de calcul multi-coeurs et multi-GPUs. Le problème d'ordonnancement Flow-Shop (FSP) est considéré comme étude de cas. Une étude expérimentale préliminaire sur quelques grandes instances du FSP a révélé que l'arbre de recherche est hautement irrégulier (en forme et en taille) et très large (milliards de milliards de noeuds), et que l'opérateur d'évaluation des bornes est exorbitant en temps de calcul (environ 97% du temps de B&B). Par conséquent, notre première contribution est de proposer une approche GPU avec un seul coeur CPU (GB&B) dans laquelle seul l'opérateur d'évaluation est exécuté sur GPU. L'approche traite deux dé fis: la divergence de threads et l'optimisation de la gestion de la mémoire hiérarchique du GPU. Comparée à une version séquentielle, des accélérations allant jusqu'à ( 100) sont obtenues sur Nvidia Tesla C2050. L'analyse des performances de GB&B a montré que le surcoût induit par le transfert des données entre le CPU et le GPU est élevé. Par conséquent, l'objectif de la deuxième contribution est d'étendre l'approche (LL-GB&B) a fin de minimiser la latence de communication CPU-GPU. Cet objectif est réalisé grâce à une parallélisation à grain fin sur GPU des opérateurs de séparation et d'élagage. Le défi majeur relevé ici est la divergence de threads qui est due à la nature fortement irrégulière citée ci-dessus de l'arbre exploré. Comparée à une exécution séquentielle, LL-GB&B permet d'atteindre des accélérations allant jusqu'à ( 160) pour les plus grandes instances. La troisième contribution consiste à étudier l'utilisation combinée des GPUs avec les processeurs multi-coeurs. Deux scénarios ont été explorés conduisant à deux approches: une concurrente (RLL-GB&B) et une coopérative (PLL-GB&B). Dans le premier cas, le processus d'exploration est eff ectué simultanément par le GPU et les coeurs du CPU. Dans l'approche coopérative, les coeurs du CPU préparent et transfèrent les sous-problèmes en utilisant le streaming CUDA tandis que le GPU eff ectue l'exploration. L'utilisation combinée du multi-coeur et du GPU a montré que l'utilisation de RLL-GB&B n'est pas bénéfi que et que PLL-GB&B permet une amélioration allant jusqu'à (36%) par rapport à LL-GB&B. Sachant que récemment des grilles de calcul comme Grid5000 (certains sites) ont été équipées avec des GPU, la quatrième contribution de cette thèse traite de la combinaison du calcul sur GPU et multi-coeur avec le calcul distribué à grande échelle. Pour ce faire, les diff érentes approches proposées ont été réunies dans un méta-algorithme hétérofigène qui sélectionne automatiquement l'algorithme à déployer en fonction de la con figuration matérielle cible. Ce méta-algorithme est couplé avec l'approche B&B@Grid proposée dans [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. B&B@Grid répartit les unités de travail (sous-espaces de recherche codés par des intervalles) entre les noeuds de la grille tandis que le méta-algorithme choisit et déploie localement un algorithme de B&B parallèle sur les intervalles reçus. L'approche combinée nous a permis de résoudre à l'optimalité et e fficacement les instances (20 20) de Taillard.