Empirische Wissenschaften wie Biologie oder Psychologie konstituieren sich in ihrem Kern aus einer Menge vorläufiger Vermutungen über ihren Untersuchungsgegenstand. Ihre Konzepte und Gesetzmäßigkeiten stellen Verallgemeinerungen zurückliegender Beobachtungen dar, die als gültig angenommen werden, solange es niemandem gelingt, diese zu widerlegen. In den empirischen Naturwissenschaften bilden Messintrumente wie die Impedanzspektroskopie, deren Ergebnisse unter anderem in Materialwissenschaften oder in der Biomedizin genutzt werden, die Grundlage zur Erstellung von Hypothesen. Eine wissenschaftliche Analyse erfordert jedoch nicht nur das Suchen nach Gesetzmäßigkeiten, sondern ebenso ein Suchen nach Widersprüchen und Alternativen. Hypothesen nicht nur aufzustellen, sondern auch zu hinterfragen, gilt dabei als genuin menschliche Fähigkeit. Zwar werden zur Hypothesenbildung aus empirischen Daten häufig maschinelle Lernverfahren genutzt, doch die Bewertung solcher Hypothesen bleibt bislang ebenso dem Menschen vorbehalten wie das Suchen nach Widersprüchen und Alternativen. Um diese menschliche Fähigkeit nachzubilden, schlägt die vorliegende Arbeit eine Strategie maschinellen Lernens vor, die sowohl am Leitbild eines kritischen Rationalismus als auch an Prinzipien konstruktivistischer Lerntheorien ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu etablierten maschinellen Lernverfahren sehen konstruktivistische Lerntheorien nicht nur ein unüberwachtes oder überwachtes Lernen vor, sondern auch ein Lernen mittels Zweifel. Um einen solchen Lernprozess operationalisieren und automatisieren zu können, werden maschinell erlernte Zusammenhänge hier als Modelle im Sinne der Allgemeinen Modelltheorie nach Herbert Stachowiak interpretiert. Die damit verbundene Definition pragmatischer Eigenschaften als Metadaten erlaubt nicht nur die Selektion zu erlernender Daten aus einem gegebenen Datensatz, sondern auch das Erzeugen und Identifizieren von Beziehungen zwischen Modellen. Dadurch wird es möglich, konkurrierende Modelle für einen gegebenen Datensatz zu unterscheiden und deren Kohärenz zu überprüfen. Insbesondere können so Mehrdeutigkeiten mittels Modell-Metadaten erkannt werden. Chancen und Risiken eines solchen Ansatzes werden hier anhand automatisierter Analysen impedanzspektroskopischer Messungen aufgezeigt, wie sie in physiologischen Untersuchungen an Epithelien erhoben werden. Da in empirischen Messungen naturgemäß nur Näherungswerte für die Ziel-Messgröße bestimmt werden können, wird das Verhalten von Epithelien hier detailliert modelliert und daraus synthetisierte Impedanzspektren als Grundlage von Analysen mittels konstruktivistischen maschinellen Lernens verwendet. Diese Analysen erfolgen in einem ersten Schritt in Form eines selbstständigen Explorierens eines Teils der Impedanzspektren, welches in einer hierarchisch geordneten Menge von Modellen resultiert. Anschließend werden diese Modelle zur Adaption konkreter Anwendungen genutzt. Als Beispiel für eine Klassifikationsanwendung werden Modelle adaptiert, die eine verlässliche Źuordnung eines Impedanzspektrums zu der zugrundeliegenden Zelllinie erlauben. Als Beispiel für eine Regressionsanwendung werden Modelle adaptiert, die eine Quantifizierung der epithelialen Kapazität erlauben. In beiden Anwendungen identifiziert das konstruktivistische maschinelle Lernen selbstständig die Grenzen der Gültigkeit der von ihm aufgestellten Hypothesen und liefert dadurch eine differenzierte und für Menschen nachvollziehbare Interpretation der analysierten Daten.

Die Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina produzieren bei Stimulierung mit dem Neurohormon Serotonin (5-Hydroxytryptamine, 5-HT) einen KCl-reichen Primärspeichel. Der transepitheliale K+-Transport wird durch eine apikal lokalisierte vakuoläre H+-ATPase (V-ATPase) energetisiert. Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT aktiviert die apikale V-ATPase, die Protonen aus der Zelle in das Drüsenlumen transportiert. Trotz des auswärts gerichteten Protonentransportes führt die 5-HT-Stimulierung kurioserweise zu einer intrazellulären Ansäuerung. Die Ursachen dieser 5-HT-induzierten Ansäuerung waren unzureichend untersucht. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit die Identifikation aller Transporter, die an der intrazellulären pH-(pHi)-Regulation in unstimulierten Speicheldrüsen von Calliphora vicina beteiligt sind und an der Entstehung und Regulation der 5-HT-induzierten pHi-Änderungen mitwirken. Von besonderem Interesse war hierbei die funktionelle Mitwirkung der V-ATPase, deren Beteiligung an der pHi-Regulation in tierischen Zellen bisher wenig untersucht war. Wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit waren: • Messungen des pHi-Wertes in der unstimulierten Drüse zeigten, dass vor allem die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter an der Aufrechterhaltung des Ruhe-pHi beteiligt sind. • Zur Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung (NH4Cl-Vorpuls) tragen ebenfalls im Wesentlichen die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter bei. Der Na+/H+-Antiporter hat in der unstimulierten Drüse keinen messbaren Einfluss auf den Ruhe-pHi. • Die Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Alkalisierung (Na-acetat-Vorpuls) ist Cl--abhängig, aber auch unter extremen Bedingungen waren die Zellen noch in der Lage sich vollständig von einer intrazellullären Alkalisierung zu erholen. Einen entscheidenden Anteil daran hat offenbar die hohe intrazelluläre Puerkapazität. • Ein Na+-abhängiger Glutamat-Transporter ist per se kein pHi-regulierender Transporter, seine Aktivität hat jedoch Einfluss auf den Ruhe-pHi in der unstimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina. • 10 nM 5-HT induzieren in den Calliphora Speicheldrüsen eine intrazelluläre Ansäuerung. An dieser Ansäuerung ist der Na+/H+-Antiporter entscheidend beteiligt. Auch eine klare Cl--Abhängigkeit der 5-HT-induzierten Ansäuerung konnte beobachtet werden. Wahrscheinlich ist eine gekoppelte Aktivität von Na+/H+-Antiporter und Cl-/HCO3--Antiporter. • Messungen mit einem O2-empndlichen Fluoreszenzfarbstoff zeigten, dass Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT die Zellatmung aktivierte. Der cAMP- und der IP3/Ca2+-Weg tragen auf komplexe Weise zu der 5-HT-induzierten Aktivierung der Zellatmung und damit auch zu den 5-HT-induzierten pHi-Änderungen bei. • Mit molekularbiologischen Untersuchungen ist es gelungen den Na+-abhängigen Glutamat-Transporter, den Na+/H+-Antiporter, die Carboanhydrase und die Untereinheit C der V-ATPase in den Calliphora Speicheldrüsen direkt nachzuweisen. Zudem konnte erstmals der direkte Nachweis für die Expression eines nH+/K+-Antiporters in den Speicheldrüsen von Calliphora vicina erbracht werden. Diese Arbeit trug ganz wesentlich zum Verständnis der pHi-Regulation in der unstimulierten und stimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina bei. Mechanismen die zur Aufrechterhaltung und Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung bzw. Alkalisierung beitragen, konnten mit pHi-Messungen und auch molekularbiologisch nachgewiesen werden. Die Mechanismen, welche die 5-HT-induzierte intrazelluläre Ansäuerung verursachen, konnten ebenfalls aufgeklärt werden. Zudem wurde an den Calliphora Speicheldrüsen eine neue optische Methode zur Messung des O2-Verbrauchs in tierischen Geweben etabliert. / The tubular salivary glands of the blowfly Calliphora vicina consist of a single layer of epithelial cells. Stimulation with the neurohormone serotonin (5-hydroxytryptamine,5-HT) induces the secretion of a KCl-rich primary saliva. Transepithelial K+-transport is energized by a vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) which is located in the apical membrane. 5-HT stimulates the apical V-ATPase which transports protons out of the cells into the lumen of the glands. Despite this outward directed proton transport, 5-HT stimulation leads to an intracellular acidication. The causes of this intracellular acidication were poorly understood. Therefore the aim of this thesis was the identication of all pHi regulating transporters which are involved in pHi regulation in the unstimulated salivary glands of Calliphora vicina and which contribute to the 5-HT-induced pHi changes. Of special interest was the functional role of the V-ATPase,whose contribution to pHi regulation in animal cells is, as yet, not well studied. Key results were: • pHi measurements in unstimulated glands showed that mainly the V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are involved in maintenance of resting pHi. • V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are also necessary for the recovery from an intracellular acidication (NH4Cl prepulse). • Recovery from an intracellular alkali load (Na-acetate prepulse) is partially Cl--dependent. • A Na+ dependent gluatamate-transporter is present in Calliphora salivary glands and its activity aects the resting pHi. • 10 nM 5-HT induce an intracellular acidication. This acidication is Na+-dependent, EIPA-sensitive and also Cl--dependent. No DIDS-sensitivity was observed. A coupled activity of a Na+/H+-antiporter and a Cl-/HCO3- -antiporter was suggested. • Using O2-sensitive fluorescent microbeads I could show that 5-HT stimulation of the Calliphora salivary glands activates cellular respiration. The cAMP and Ca2+-signalling pathways contribute in a complex manner to the 5-HT-induced activation of cellular respiration and consequently, also to the 5-HT-induced intracellular acidication. • The expression of a Na+ dependent glutamate-transporter, a Na+/H+-antiporter, a carbonic anhydrase, subunit C of the V-ATPase and a nH+/K+-antiporter were determined on mRNA level by RT-PCR. This thesis contributes signicantly to the understanding of pHi regulation in unstimulated and stimulated salivary glands of Calliphora vicina. Mechanisms which contribute to the maintenance and recovery of resting pHi were identied by using pHi measurements and molecular biological techniques. Mechanisms which are responsible for the 5-HT-induced intracellular acidication were also clarified. Furthermore a new optical method for measuring O2 consumption in animals cells was established by using the Calliphora salivary glands as a model.

During development of tissues, cells collectively organize to form complex patterns and morphologies. A general feature of many developing epithelia is their distinct organization into cellular compartments of different cell lineages. The interfaces between these compartments, called compartment boundaries, maintain straight and sharp morphologies. The interfaces play key roles in tissue development and pattern formation. An important model system to study the morphology of compartment boundaries during development is the wing disc of the fruit fly. Two compartment boundaries exist in the fly wing disc, the anteroposterior (AP) boundary and the dorsoventral (DV) boundary. A crucial question is how compartment boundaries are shaped and remain stable during growth. In this work, we discuss the dynamics and mechanisms of compartment boundaries in developing epithelia. We analyze the general features of interfacial phenomena in coarse- grained models of passive and active fluids. We introduce a continuum description of tissues with two cell types. This model allows us to study the propagation of interfaces due to the interplay of cell dynamics and tissue mechanics. We also use a vertex model to describe cellular compartments in growing epithelia. The vertex model accounts for cell mechanics and describes a 2D picture of tissues where the network of adherens junctions characterizes cell shapes. We use this model to study the general physical mechanisms by which compartment boundaries are shaped. We quantify the stresses in the cellular network and discuss how cell mechanics and growth influence the stress profile. With the help of the anisotropic stress profile near the interfaces we calculate the interfacial tension. We show that cell area pressure, cell proliferation rate, orientation of cell division, cell elongation created by external stress, and cell bond tension all have distinct effects on the morphology of interfaces during tissue growth. Furthermore, we investigate how much different mechanisms contribute to the effective interfacial tension. We study the mechanisms shaping the DV boundary in wing imaginal disc at different stages during the development. We analyze the images of wing discs to quantify the roughness of the DV boundary and average cell elongation in its vicinity. We quantify increased cell bond tension along the boundary and analyze the role of localized reduction in cell proliferation on the morphology of the DV boundary. We use experimentally determined values for cell bond tension, cell elongation and bias in orientation of cell division in simulations of tissue growth in order to reproduce the main features of the time-evolution of the DV boundary shape.

During development of tissues, cells collectively organize to form complex patterns and morphologies. A general feature of many developing epithelia is their distinct organization into cellular compartments of different cell lineages. The interfaces between these compartments, called compartment boundaries, maintain straight and sharp morphologies. The interfaces play key roles in tissue development and pattern formation. An important model system to study the morphology of compartment boundaries during development is the wing disc of the fruit fly. Two compartment boundaries exist in the fly wing disc, the anteroposterior (AP) boundary and the dorsoventral (DV) boundary. A crucial question is how compartment boundaries are shaped and remain stable during growth. In this work, we discuss the dynamics and mechanisms of compartment boundaries in developing epithelia. We analyze the general features of interfacial phenomena in coarse- grained models of passive and active fluids. We introduce a continuum description of tissues with two cell types. This model allows us to study the propagation of interfaces due to the interplay of cell dynamics and tissue mechanics. We also use a vertex model to describe cellular compartments in growing epithelia. The vertex model accounts for cell mechanics and describes a 2D picture of tissues where the network of adherens junctions characterizes cell shapes. We use this model to study the general physical mechanisms by which compartment boundaries are shaped. We quantify the stresses in the cellular network and discuss how cell mechanics and growth influence the stress profile. With the help of the anisotropic stress profile near the interfaces we calculate the interfacial tension. We show that cell area pressure, cell proliferation rate, orientation of cell division, cell elongation created by external stress, and cell bond tension all have distinct effects on the morphology of interfaces during tissue growth. Furthermore, we investigate how much different mechanisms contribute to the effective interfacial tension. We study the mechanisms shaping the DV boundary in wing imaginal disc at different stages during the development. We analyze the images of wing discs to quantify the roughness of the DV boundary and average cell elongation in its vicinity. We quantify increased cell bond tension along the boundary and analyze the role of localized reduction in cell proliferation on the morphology of the DV boundary. We use experimentally determined values for cell bond tension, cell elongation and bias in orientation of cell division in simulations of tissue growth in order to reproduce the main features of the time-evolution of the DV boundary shape.