Various works have demonstrated the usage of action as a critical component in allowing autonomous agents to learn about objects in the environment. The importance of memory becomes evident when these agents try to learn about complex objects. This necessity primarily stems from the fact that simpler agents behave reactively to stimuli in their attempt to learn about the nature of the object. However, complex objects have the property of giving rise to temporally varying sensory data as the agent interacts with the object. Therefore, reactive behavior becomes a hindrance in learning these complex objects, thus, prompting the need for memory. A straightforward approach to memory, visual memory, is where sensory data is directly represented. Another mechanism is skill-based memory or habit formation. In the latter mechanism the sequence of actions performed for a task is retained. The main hypothesis of this thesis is that since action seems to play an important role in simple perceptual understanding it may also serve as a good memory representation. In order to test this hypothesis a series of comparative tests were carried out to determine the merits of each of these representations. It turns out that skill memory performs significantly better at recognition tasks than visual memory. Furthermore, it was demonstrated in a related experiment that action forms a good intermediate representation of the sensory data. This provides support to theories that propose that various sensory modalities can ideally be represented in terms of action. This thesis successfully extends action to the role of understanding of complex objects.

This thesis aims to seek interesting patterns from massive amounts of Flickr data in Sweden with pro- posed new clustering strategies. The aim can be further divided into three objectives. The first one is to acquire large amount of timestamped geolocation data from Flickr servers. The second objective is to develop effective and efficient methods to process the data. More specifically, the methods to be developed are bifold, namely, the preprocessing method to solve the “Big Data” issue encountered in the study and the new clustering method to extract spatio-temporal patterns from data. The third one is to analyze the extracted patterns with scaling analysis techniques in order to interpret human social activities underlying the Flickr Data within the urban envrionment of Sweden. During the study, the three objectives were achieved sequentially. The data employed for this study was vector points downloaded through Flickr Application Programming Interface (API). After data ac- quisition, preprocessing was performed on the raw data. The whole dataset was firstly separated by year based on the temporal information. Then data of each year was accumulated with its former year(s) so that the evovling process can be explored. After that, large datasets were splitted into small pieces and each piece was clipped, georeferenced, and rectified respectively. Then the pieces were merged together for clustering. With respect to clustering, the strategy was developed based on the Delaunay Triangula- tion (DT) and head/tail break rule. After that, the generated clusters were analyzed with scaling analysis techniques and spatio-temporal patterns were interpreted from the analysis results. It has been found that the spatial pattern of the human social activities in the urban environment of Sweden generally follows the power-law distribution and the cities defined by human social activities are evolving as time goes by. To conclude, the contributions of this research are threefold and fulfill the objectives of this study, respectively. Firstly, large amount of Flickr data is acquired and collated as a contribution to other aca- demic researches related to Flickr. Secondly, the clustering strategy based on the DT and head/tail break rule is proposed for spatio-temporal pattern seeking. Thirdly, the evolving of the cities in terms of human activities in Sweden is detected from the perspective of scaling. Future work is expected in major two aspects, namely, data and data processing. For the data aspect, the downloaded Flickr data is expected to be employed by other studies, especially those closely related to human social activities within urban environment. For the processing aspect, new algorithms are expected to either accelerate the processing process or better fit machines with super computing capacities.

A análise de uma população em longo prazo permite a identificação da ausência ou presença de variações nos padrões de ciclo de vida, de distribuição espaço-temporal e dinâmica populacional. O ciclo de vida do camarão sete-barbas Xiphopenaeus kroyeri foi investigado na Enseada de Ubatuba, litoral norte do Estado de São Paulo (23º25\' - 23º27\'S / 45º00\' - 45º03\' W) ao longo de um intervalo de treze anos. Amostras de material biológico, de água de fundo e de sedimento foram coletadas em quatro pontos de amostragem em três períodos de 12 meses cada: janeiro a dezembro de 1998, julho de 2006 a junho de 2007 e setembro de 2010 a agosto de 2011. Dados obtidos em 1999 foram incluídos para as análises de crescimento individual, de longevidade e de idade de maturação. Altas abundâncias de fêmeas maduras e de jovens foram respectivamente associadas a valores de temperatura da água de fundo acima e abaixo da média da região. Indivíduos adultos predominaram em pontos com variação temporal da composição granulométrica do sedimento enquanto que os jovens se estabeleceram naqueles em que o sedimento permaneceu fino entre os períodos. Em 1998, a abundância de jovens, o peso individual de machos e fêmeas de todas as categorias demográficas, a idade de maturação morfológica e fisiológica e a longevidade foram maiores do que nos outros períodos. Os parâmetros da função de crescimento de machos e fêmeas variaram entre os períodos, sem apresentarem uma tendência temporal clara. Os padrões anuais de reprodução e recrutamento foram bastante semelhantes entre os períodos. As alterações nos fatores ambientais provocadas por variações na dinâmica de massas de água, pela ocorrência de El Niño e alterações na intensidade de pesca foram consideradas como possíveis agentes relacionadas às variações nos padrões do ciclo de vida da espécie na região / Long-term studies on a population provide detection of the presence or absence of interannual variation in patterns of its life cycle, spatio-temporal distribution, and dynamics. This study investigate the population of the seabob shrimp Xiphopenaeus kroyeri within a period of 13 years in Ubatuba Bay, northern coast of São Paulo state, Brazil (23º25\' - 23º27\'S / 45º00\' - 45º03\' W). Shrimp, bottom water and sediment samples were collected from four sampling sites during three 12-month periods: January-December 1998, July 2006-June 2007, and September 2010-August 2011. Monthly data collected in 1999 were included in growth, longevity and maturation age analyses. High abundance of mature females and juveniles were associated to the occurrence of temperature values below and above the region average, respectively. Adults predominated in sites that showed temporal variation of sediment texture while juveniles occurred in sites where sediment remained fine between the study periods. In the 1998 period values of juveniles were more abundant, individual weight of all demographic categories was higher, both morphological and physiological maturity was attained later and lifespan was longer than on the following periods. Growth function parameters of males and females varied between periods with no clear temporal trend. Monthly patterns of reproduction and recruitment were similar between the study periods. Changes in the environmental conditions caused by variations in the dynamics of the local water masses, occurrence of El Niño and fishery intensity were considered as possible factors related to the interannual variations in the life cycle pattern of X. kroyeri in the study region

A análise de uma população em longo prazo permite a identificação da ausência ou presença de variações nos padrões de ciclo de vida, de distribuição espaço-temporal e dinâmica populacional. O ciclo de vida do camarão sete-barbas Xiphopenaeus kroyeri foi investigado na Enseada de Ubatuba, litoral norte do Estado de São Paulo (23º25\' - 23º27\'S / 45º00\' - 45º03\' W) ao longo de um intervalo de treze anos. Amostras de material biológico, de água de fundo e de sedimento foram coletadas em quatro pontos de amostragem em três períodos de 12 meses cada: janeiro a dezembro de 1998, julho de 2006 a junho de 2007 e setembro de 2010 a agosto de 2011. Dados obtidos em 1999 foram incluídos para as análises de crescimento individual, de longevidade e de idade de maturação. Altas abundâncias de fêmeas maduras e de jovens foram respectivamente associadas a valores de temperatura da água de fundo acima e abaixo da média da região. Indivíduos adultos predominaram em pontos com variação temporal da composição granulométrica do sedimento enquanto que os jovens se estabeleceram naqueles em que o sedimento permaneceu fino entre os períodos. Em 1998, a abundância de jovens, o peso individual de machos e fêmeas de todas as categorias demográficas, a idade de maturação morfológica e fisiológica e a longevidade foram maiores do que nos outros períodos. Os parâmetros da função de crescimento de machos e fêmeas variaram entre os períodos, sem apresentarem uma tendência temporal clara. Os padrões anuais de reprodução e recrutamento foram bastante semelhantes entre os períodos. As alterações nos fatores ambientais provocadas por variações na dinâmica de massas de água, pela ocorrência de El Niño e alterações na intensidade de pesca foram consideradas como possíveis agentes relacionadas às variações nos padrões do ciclo de vida da espécie na região / Long-term studies on a population provide detection of the presence or absence of interannual variation in patterns of its life cycle, spatio-temporal distribution, and dynamics. This study investigate the population of the seabob shrimp Xiphopenaeus kroyeri within a period of 13 years in Ubatuba Bay, northern coast of São Paulo state, Brazil (23º25\' - 23º27\'S / 45º00\' - 45º03\' W). Shrimp, bottom water and sediment samples were collected from four sampling sites during three 12-month periods: January-December 1998, July 2006-June 2007, and September 2010-August 2011. Monthly data collected in 1999 were included in growth, longevity and maturation age analyses. High abundance of mature females and juveniles were associated to the occurrence of temperature values below and above the region average, respectively. Adults predominated in sites that showed temporal variation of sediment texture while juveniles occurred in sites where sediment remained fine between the study periods. In the 1998 period values of juveniles were more abundant, individual weight of all demographic categories was higher, both morphological and physiological maturity was attained later and lifespan was longer than on the following periods. Growth function parameters of males and females varied between periods with no clear temporal trend. Monthly patterns of reproduction and recruitment were similar between the study periods. Changes in the environmental conditions caused by variations in the dynamics of the local water masses, occurrence of El Niño and fishery intensity were considered as possible factors related to the interannual variations in the life cycle pattern of X. kroyeri in the study region

Este trabalho introduz novos algoritmos de redes neurais para o processamento online de padrões espaço-temporais, estendendo o algoritmo Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). O algoritmo IGMN é uma rede neural online incremental que aprende a partir de uma única passada através de dados por meio de uma versão incremental do algoritmo Expectation-Maximization (EM) combinado com regressão localmente ponderada (Locally Weighted Regression, LWR). Quatro abordagens diferentes são usadas para dar capacidade de processamento temporal para o algoritmo IGMN: linhas de atraso (Time-Delay IGMN), uma camada de reservoir (Echo-State IGMN), média móvel exponencial do vetor de entrada reconstruído (Merge IGMN) e auto-referência (Recursive IGMN). Isso resulta em algoritmos que são online, incrementais, agressivos e têm capacidades temporais e, portanto, são adequados para tarefas com memória ou estados internos desconhecidos, caracterizados por fluxo contínuo ininterrupto de dados, e que exigem operação perpétua provendo previsões sem etapas separadas para aprendizado e execução. Os algoritmos propostos são comparados a outras redes neurais espaço-temporais em 8 tarefas de previsão de séries temporais. Dois deles mostram desempenhos satisfatórios, em geral, superando as abordagens existentes. Uma melhoria geral para o algoritmo IGMN também é descrita, eliminando um dos parâmetros ajustáveis manualmente e provendo melhores resultados. / This work introduces novel neural networks algorithms for online spatio-temporal pattern processing by extending the Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). The IGMN algorithm is an online incremental neural network that learns from a single scan through data by means of an incremental version of the Expectation-Maximization (EM) algorithm combined with locally weighted regression (LWR). Four different approaches are used to give temporal processing capabilities to the IGMN algorithm: time-delay lines (Time-Delay IGMN), a reservoir layer (Echo-State IGMN), exponential moving average of reconstructed input vector (Merge IGMN) and self-referencing (Recursive IGMN). This results in algorithms that are online, incremental, aggressive and have temporal capabilities, and therefore are suitable for tasks with memory or unknown internal states, characterized by continuous non-stopping data-flows, and that require life-long learning while operating and giving predictions without separated stages. The proposed algorithms are compared to other spatio-temporal neural networks in 8 time-series prediction tasks. Two of them show satisfactory performances, generally improving upon existing approaches. A general enhancement for the IGMN algorithm is also described, eliminating one of the algorithm’s manually tunable parameters and giving better results.

Este trabalho introduz novos algoritmos de redes neurais para o processamento online de padrões espaço-temporais, estendendo o algoritmo Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). O algoritmo IGMN é uma rede neural online incremental que aprende a partir de uma única passada através de dados por meio de uma versão incremental do algoritmo Expectation-Maximization (EM) combinado com regressão localmente ponderada (Locally Weighted Regression, LWR). Quatro abordagens diferentes são usadas para dar capacidade de processamento temporal para o algoritmo IGMN: linhas de atraso (Time-Delay IGMN), uma camada de reservoir (Echo-State IGMN), média móvel exponencial do vetor de entrada reconstruído (Merge IGMN) e auto-referência (Recursive IGMN). Isso resulta em algoritmos que são online, incrementais, agressivos e têm capacidades temporais e, portanto, são adequados para tarefas com memória ou estados internos desconhecidos, caracterizados por fluxo contínuo ininterrupto de dados, e que exigem operação perpétua provendo previsões sem etapas separadas para aprendizado e execução. Os algoritmos propostos são comparados a outras redes neurais espaço-temporais em 8 tarefas de previsão de séries temporais. Dois deles mostram desempenhos satisfatórios, em geral, superando as abordagens existentes. Uma melhoria geral para o algoritmo IGMN também é descrita, eliminando um dos parâmetros ajustáveis manualmente e provendo melhores resultados. / This work introduces novel neural networks algorithms for online spatio-temporal pattern processing by extending the Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). The IGMN algorithm is an online incremental neural network that learns from a single scan through data by means of an incremental version of the Expectation-Maximization (EM) algorithm combined with locally weighted regression (LWR). Four different approaches are used to give temporal processing capabilities to the IGMN algorithm: time-delay lines (Time-Delay IGMN), a reservoir layer (Echo-State IGMN), exponential moving average of reconstructed input vector (Merge IGMN) and self-referencing (Recursive IGMN). This results in algorithms that are online, incremental, aggressive and have temporal capabilities, and therefore are suitable for tasks with memory or unknown internal states, characterized by continuous non-stopping data-flows, and that require life-long learning while operating and giving predictions without separated stages. The proposed algorithms are compared to other spatio-temporal neural networks in 8 time-series prediction tasks. Two of them show satisfactory performances, generally improving upon existing approaches. A general enhancement for the IGMN algorithm is also described, eliminating one of the algorithm’s manually tunable parameters and giving better results.

Este trabalho introduz novos algoritmos de redes neurais para o processamento online de padrões espaço-temporais, estendendo o algoritmo Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). O algoritmo IGMN é uma rede neural online incremental que aprende a partir de uma única passada através de dados por meio de uma versão incremental do algoritmo Expectation-Maximization (EM) combinado com regressão localmente ponderada (Locally Weighted Regression, LWR). Quatro abordagens diferentes são usadas para dar capacidade de processamento temporal para o algoritmo IGMN: linhas de atraso (Time-Delay IGMN), uma camada de reservoir (Echo-State IGMN), média móvel exponencial do vetor de entrada reconstruído (Merge IGMN) e auto-referência (Recursive IGMN). Isso resulta em algoritmos que são online, incrementais, agressivos e têm capacidades temporais e, portanto, são adequados para tarefas com memória ou estados internos desconhecidos, caracterizados por fluxo contínuo ininterrupto de dados, e que exigem operação perpétua provendo previsões sem etapas separadas para aprendizado e execução. Os algoritmos propostos são comparados a outras redes neurais espaço-temporais em 8 tarefas de previsão de séries temporais. Dois deles mostram desempenhos satisfatórios, em geral, superando as abordagens existentes. Uma melhoria geral para o algoritmo IGMN também é descrita, eliminando um dos parâmetros ajustáveis manualmente e provendo melhores resultados. / This work introduces novel neural networks algorithms for online spatio-temporal pattern processing by extending the Incremental Gaussian Mixture Network (IGMN). The IGMN algorithm is an online incremental neural network that learns from a single scan through data by means of an incremental version of the Expectation-Maximization (EM) algorithm combined with locally weighted regression (LWR). Four different approaches are used to give temporal processing capabilities to the IGMN algorithm: time-delay lines (Time-Delay IGMN), a reservoir layer (Echo-State IGMN), exponential moving average of reconstructed input vector (Merge IGMN) and self-referencing (Recursive IGMN). This results in algorithms that are online, incremental, aggressive and have temporal capabilities, and therefore are suitable for tasks with memory or unknown internal states, characterized by continuous non-stopping data-flows, and that require life-long learning while operating and giving predictions without separated stages. The proposed algorithms are compared to other spatio-temporal neural networks in 8 time-series prediction tasks. Two of them show satisfactory performances, generally improving upon existing approaches. A general enhancement for the IGMN algorithm is also described, eliminating one of the algorithm’s manually tunable parameters and giving better results.

Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.

De nombreux systèmes électrochimiques sont composés d'un grand nombre d'éléments électroactifs en interaction. Si la réaction électrochimique possède une cinétique non linéaire, des comportements coopératifs complexes peuvent émerger suivant la nature et l’intensité des interactions entre les éléments du système. L'objectif de cette thèse est de comprendre l'influence de la taille finie de l’électrode et des interactions entre les microélectrodes sur le comportement coopératif d'un groupe de microélectrodes de platine soumis à un couplage global. Les réactions choisies pour cette étude sont l’électrooxydation du monoxyde de carbone (CO), une réaction avec une cinétique bistable et l’électrooxydation du formaldéhyde (HCHO), qui présente des oscillations de potentiel sous contrôle galvanostatique. Au cours de l’électrooxydation galvanodynamiques du CO sur une seule microélectrode de Pt, la branche S-NDR a pu être mise en évidence contrairement au comportement observé sur une macroélectrode de Pt. En outre, les nouveaux comportements coopératifs comme l'activation séquentielle des microélectrodes, des oscillations de courant et de potentiel spontanées et un régime de commutation dynamique entre les électrodes ont été découverts pour cette réaction lorsque quatre électrodes ont été couplées globalement. Pendant l’électrooxydation de HCHO, l'introduction du couplage global à deux électrodes conduit à des oscillations de courant en opposition de phase. / Many electrochemical systems are composed of a large number of interacting electroactive elements. If the reaction taking place on them has nonlinear kinetics and their interactions allow them to exchange information, complex cooperative behaviors can emerge. The objective of this thesis is to understand the influence of finite-size effects and cooperative phenomena on the global behavior of a group of coupled Pt microelectrodes. The reactions chosen for this study were CO electrooxidation, a reaction with current bistability, and HCHO electrooxidation, which exhibits oscillations under galvanostatic control. During the galvanodynamic electrooxidation of CO on a single microelectrode the S-NDR branch could be evidenced, on macroelectrodes this is not possible due to the formations of stationary domains. Additionally, novel cooperative behaviors (i.e., sequential activation, oscillations and complex switching) were discovered for this reaction when four electrodes were globally coupled. During HCHO electrooxidation the introduction of global coupling to two electrodes led to anti-phase current oscillations.

Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.