Der Umgang mit Modellen gehört zu einem durch Naturwissenschaften und Technik geprägten Alltag. Zur Förderung der Modellkompetenz von Schülerinnen und Schülern beschreibt ein theoriegeleitet formuliertes Kompetenzmodell, in welche Inhalte Modellkompetenz strukturiert ist und wie diese Inhalte graduiert sind. Diese Beschreibung von Modellkompetenz wurde in der vorliegenden Arbeit empirisch geprüft. Hierzu wird ein Itempool benötigt, der das Kompetenzmodell adäquat repräsentiert und dessen Bearbeitung als Indikator von Modellkompetenz interpretierbar ist. Beide Kriterien wurden neben psychometrischen Qualitätskriterien im Prozess der Testkonstruktion geprüft. 40 Multiple-Choice Items, die diesen Kriterien genügten, wurden von Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufen 7 bis 10 bearbeitet. Eine Analyse dieser Daten mit mit IRT-Modellen diente der empirischen Überprüfung der Strukturierung und Graduierung von Modellkompetenz. Darüber hinaus wurden die Unterschiede in den Personenfähigkeiten zwischen den Jahrgangsstufen und die diskriminante und konvergente Validität von Modellkompetenz betrachtet. Es zeigte sich, dass die Indizien für eine eindimensionale Struktur von Modellkompetenz überwiegen. Die Niveaus sowie die Personenfähigkeiten in den untersuchten Jahrgangsstufen unterscheiden sich empirisch signifikant voneinander. Während sich Modellkompetenz in einer diskriminanten Validierung von allgemeinen kognitiven Fähigkeiten und Lesefähigkeiten sinnvoll abgrenzen lässt, bleibt das Bild für die konvergente Validierung noch unklar. Diese Befunde werden vor dem Hintergrund der theoretischen Grundlagen sowie mit Blick auf Implikationen für den Unterricht und weitere Forschungsprojekte diskutiert. / Science and technology belong to everyday life. It therefore requires the ability of dealing with models. To foster students’ model competence, a theoretical cognitive model structures and grades different aspects of model competence. The present research project aims at testing this description of model competence empirically. The empirical testing of a theoretical cognitive model requires psychometrically proven items that represent the cognitive model adequately. Furthermore, the results of the test should be interpretable as indication of the competence tested. These critera – among psychometric criteria – were included in the test and item construction which led to 40 multiple-choice items. Students in grades 7 to 10 dealt with this item pool. The data were analyzed with IRT models to check the structure and graduation of model competence empirically. Moreover, the differences in skills among grades as well as the discriminant and convergent validity of model competence were considered. Most of the empirical evidence points to a one-dimensional structure model of competence. The levels as well as the skills in the tested grades differed significantly. While model competence was distinguishable from general cognitive ability and reading skills in terms of discriminant validation, the picture remains unclear for the convergent validation. These findings are discussed with regard to the background of the theoretical basis as well as to implications for teaching and further research.

Die zeitliche Filterung von sensorischem Input ist entscheidend für das Erkennen vieler Stimuli. Auditorische Neurone führen dazu mehrere Verarbeitungsschritte und Signaltransformationen durch, u.a. durch zeitliche Integration, zeitliche Auflösung und Selektion eines zeitlichen Merkmals. Um zu testen ob zeitliche Filterung von Stimuluseigenschaften (Intensität) oder Kontext (Temperatur) abhängt untersuchte ich Neurone in der Hörbahn der Wanderheuschrecke. Zuerst untersuchte ich zeitliche Integration in Rezeptoren und Interneuronen. Zeitverlauf und Ausmaß der Integration waren Neuronen-spezifisch. Während periphere Neurone die akustische Energie integrierten, unterschied sich die zeitliche Integration der Interneuronentypen stark, was eine spezifische zeitliche Filterung ermöglicht. Die Analyse postsynaptischer Potentiale deckte presynaptische und intrinsische Mechanismen der Integration auf, was darauf hindeutet, dass Unterschiede zwischen Neuronen wahrscheinlich auf Typ-spezifischer Verarbeitung beruhen. Zweitens erforschte ich die neuronale Antwort auf den zweiten Stimulus in einem Stimuluspaar mit einem Interstimulus-Intervall von wenigen Millisekunden. Die Veränderung der Antwort auf den zweiten im Vergleich zum ersten Stimulus zeigt den Effekt von akuter, kurzfristiger Adaptation und ist ein Maß für die maximale zeitliche Auflösung. In der sensorischen Peripherie trat moderate Adaptation auf, deren Einfluss exponentiell abfiel. Viele Interneurone zeigten dagegen nicht-lineare Effekte, wie die Unterdrückung oder Verstärkung der Antwort auf den zweiten Stimulus. Drittens testete ich den Effekt von Temperatur auf zeitliche Filterung. Die Selektivität von Interneuronen für zeitliche Stimulusmerkmale wurde bei wechselnden Temperaturen untersucht. Mit steigender Temperatur präferierten Neurone ein zeitlich komprimiertes Merkmal. Diese temperaturabhängige Veränderung könnte zur Temperatur-Kopplung von Sender und Empfänger bei den wechselwarmen Heuschrecken beitragen. / Temporal filtering of sensory input is crucial for the recognition of many sensory stimuli. Auditory neurons perform various computations and signal transformations to accomplish temporal filtering of acoustic input, comprising temporal integration, temporal resolution and temporal feature selection. To test whether temporal filtering processes within a neuron type depend on stimulus features, such as intensity, and on context, such as temperature, I conducted neurophysiological recordings from neurons in the auditory pathway of migratory locusts. First, I examined temporal integration in receptors and interneurons. The time course and extent of integration of subthreshold acoustic stimuli were neuronspecific. While peripheral sensory neurons acted as energy integrators, interneurons showed different temporal integration profiles, enabling neuron-specific temporal filtering. The analysis of postsynaptic potentials elucidated implemented mechanisms, suggesting that temporal integration is based on neuron-specific presynaptic and neuron-intrinsic computations. Second, I studied the response recovery of receptors and interneurons to the second stimulus in a stimulus pair, separated by a few milliseconds. This revealed the effect of acute, short-term adaptation and thus indicated the maximal temporal resolution of these neurons. In the sensory periphery response recovery was shaped by moderate adaptation and an exponential recovery. In many interneurons non-linear effects occurred, comprising a suppression of the response to the second stimulus and a response gain. Third, I tested the effect of temperature on temporal filtering. Temporal feature selectivity of interneurons was examined at cold and warm temperatures. With increasing temperature, the neurons preferred a temporally compressed feature. Temperature-dependent changes in temporal feature selectivity might thus contribute to temperature coupling of the sender and the receiver of the poikilothermic grasshoppers.

Die tight junction schränken die Diffusion durch den parazellulären Raum in Epithel- und Endothelzellschichten für viele Moleküle stark ein. Dadurch behindern sie die Aufnahme von wasserlöslichen Medikamenten in das dahinterliegende Gewebe. Zwei Proteine, die am tight junction Aufbau mitwirken, sind Zonula Occludens Protein 1 (ZO-1) und Occludin. Eine Öffnung der tight junctions stellt eine Möglichkeit für die Verabreichung von Medikamenten dar. Deshalb wurden die tight junction Proteine ZO-1 und Occludin auf ihre Funktion, Struktur und Regulation untersucht. Für die Interaktion beider Proteine gab es ein Modell, welches eine Oligomerisierung der Bindungspartner als Voraussetzung ihrer Interaktion über helikale Wechselwirkungen vorhersagte. Die Annahmen aus dem Modell der Interaktion von ZO-1 und Occludin konnten experimentell bestätigt werden. Für den C-Terminus von Occludin wurde darüber hinaus eine Interaktion über Disulfidbrücken nachgewiesen. Diese Interaktion könnte in der Zelle von pathologischer Bedeutung bei Schlaganfall und Ischchämie sein. Beide Erkrankungen verursachen eine Öffnung der tight junction im Zusammenhang mit oxidativem Stress. ZO-1 bindet über PDZ Domänen eine Vielzahl von tight junction Proteinen, die an der Abdichtung des parazellulären Raums beteiligt sind. Deshalb wurde die Interaktion und Regulation der PDZ-Domänen aus ZO-1 untersucht. Eine Phosphorylierung der PDZ durch die Proteinkinase C alpha sowie eine Interaktion mit den Phosphatasen 2A und 4 konnte nachgewiesen werden. In vitro konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der PDZ-Domänen die Bindung an Membranproteine der tight junction beeinflusst. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, die Mechanismen, die zum Verschluss des parazellulären Spaltes führen, aufzuklären. Damit zeigt sie Ansatzpunkte für eine pharmakologische Beeinflussung der Permeabilität der tight junction auf. / Tight junctions restrict diffusion through the paracellular gap in endothelia and epithelia. Thereby they constrain the uptake of water soluble drugs to the tissue. Zonula occludens protein 1 (ZO-1) and occludin are some of proteins involved in tight junction assembly. The opening of tight junctions is a possibility to apply drugs. Therefore the structure, function and regulation of ZO-1 and occludin is characterised. In previous studies, a model predicted the interaction of occludin and ZO-1 through helices. It was proposed that the interaction is mediated by oligomers of ZO-1 and Occludin. This author´s experimental research supports these hypotheses. Furthermore, occludin is shown to self assemble via disulfide bridges. This interaction could be of importance during stroke and ischemia. Both diseases cause the opening of tight junctions in combination with oxidative stress. In addition, this author investigated the interaction and regulation of the PDZ domains of ZO-1. It was shown that the PDZ domains are phosphorylated by protein kinase C alpha and interact with protein phosphatases 2A and 4. Phosphorylation led to a reduction in affinity of PDZ to membrane proteins in vitro. This thesis contributes to the understanding of the mechanisms which are involved in the sealing of the paracellular gap.

Diagramme phylogenetischer Verwandtschaft (DpV) modellieren Hypothesen zu evolutiven Verwandtschaftsverhältnissen von Arten oder Populationen. Das Interpretieren und Vergleichen von DpV wird als Tree-Reading bezeichnet und ist essentiell für das Evolutionsverständnis. DpV werden in der Wissenschaft als Modelle verwendet, um Wissen zu kommunizieren (medialer Modelleinsatz) und neue Erkenntnisse zu generieren (methodischer Modelleinsatz). Im Biologieunterricht werden Modelle oft nur medial eingesetzt. Während Wissenschaftler:innen mit einschlägigem Forschungsschwerpunkt die wissenschaftlich erforderlichen Ausprägungen von Tree-Reading vorweisen, weichen Lernende mit oberflächlichen oder wissenschaftlich inadäquaten Aussagen zu DpV häufig davon ab. Die vorliegende Studie untersucht anhand verbaler und visueller Daten, inwiefern der Erfahrungsgrad mit DpV und der Modelleinsatz bei Tree-Reading-Prozessen interagieren. Wissenschaftler:innen mit hohem Erfahrungsgrad mit DpV (n = 10) und Studierende des Master of Education Biologie mit niedrigem Erfahrungsgrad (n = 15) bearbeiteten Aufgaben, in denen DpV im medialen oder im methodischen Modelleinsatz eingebettet waren. Die Studierenden zeigten heterogene Tree-Reading-Prozesse, die sich teilweise nicht von denen von Wissenschaftler:innen unterschieden. Dies lässt sich mit dem Revised STREAM (Schramm, Jose, & Schmiemann, 2021) erklären, das Tree-Reading in fünf Dimensionen einteilt, die in unterschiedlicher Ausprägung beherrscht werden können. Entsprechend sollte Tree-Reading bei Lernenden individuell gefördert werden, um das Evolutionsverständnis und das Verständnis gesellschaftsrelevanter Themen zu stärken. Die vorliegende Studie bietet erstmals umfassende Einblicke in Tree-Reading-Prozesse und ist damit Ausgangspunkt für tiefergehende Untersuchungen der einzelnen Aspekte. / Phylogenetic trees (PT) model hypotheses about evolutionary relationships among species or populations. Interpreting and comparing PT is defined as tree reading and is essential for understanding evolution. PT as models are used in science to communicate knowledge (medial perspective) and to generate new insights (methodical perspective). In biology classrooms, model use is often limited to the medial perspective. While experienced scientists exhibit scientifically adequate tree reading, learners often show superficial and scientifically inadequate tree reading. Based on verbal and visual data the present study investigates how the degree of experience with PT and the perspective from which models are used interact in tree reading processes. Scientists with a high degree of experience with PT (n = 10) and pre-service biology teachers with low degree of experience (n = 15) solved tasks with medially and methodically embedded PT, respectively. Pre-service teachers showed heterogeneous tree reading processes, which sometimes did not differ from scientists’ processes. This is in line with the Revised STREAM (Schramm, Jose, & Schmiemann, 2021) dividing tree reading into five dimensions that learners can master on differing levels. Corresponding to these findings, learners’ tree reading skills should be fostered individually to strengthen understanding of evolution and socially relevant issues. The present study provides unique and comprehensive insights into tree reading processes and thus represents a starting point for more profound investigation of the found aspects.