Understanding the development, organization, and function of tissues is a central goal in developmental biology. With modern time-lapse microscopy, it is now possible to image entire tissues during development and thereby localize subcellular proteins. A particularly productive area of research is the study of single layer epithelial tissues, which can be simply described as a 2D manifold. For example, the apical band of cell adhesions in epithelial cell layers actually forms a 2D manifold within the tissue and provides a 2D outline of each cell. The Drosophila melanogaster wing has become an important model system, because its 2D cell organization has the potential to reveal mechanisms that create the final fly wing shape. Other examples include structures that naturally localize at the surface of the tissue, such as the ciliary components of planarians. Data from these time-lapse movies typically consists of mosaics of overlapping 3D stacks. This is necessary because the surface of interest exceeds the field of view of todays microscopes. To quantify cellular tissue dynamics, these mosaics need to be processed in three main steps: (a) Extracting, correcting, and stitching individ- ual stacks into a single, seamless 2D projection per time point, (b) obtaining cell characteristics that occur at individual time points, and (c) determine cell dynamics over time. It is therefore necessary that the applied methods are capable of handling large amounts of data efficiently, while still producing accurate results. This task is made especially difficult by the low signal to noise ratios that are typical in live-cell imaging. In this PhD thesis, I develop algorithms that cover all three processing tasks men- tioned above and apply them in the analysis of polarity and tissue dynamics in large epithelial cell layers, namely the Drosophila wing and the planarian epithelium. First, I introduce an efficient pipeline that preprocesses raw image mosaics. This pipeline accurately extracts the stained surface of interest from each raw image stack and projects it onto a single 2D plane. It then corrects uneven illumination, aligns all mosaic planes, and adjusts brightness and contrast before finally stitching the processed images together. This preprocessing does not only significantly reduce the data quantity, but also simplifies downstream data analyses. Here, I apply this pipeline to datasets of the developing fly wing as well as a planarian epithelium. I additionally address the problem of determining cell polarities in chemically fixed samples of planarians. Here, I introduce a method that automatically estimates cell polarities by computing the orientation of rootlets in motile cilia. With this technique one can for the first time routinely measure and visualize how tissue polarities are established and maintained in entire planarian epithelia. Finally, I analyze cell migration patterns in the entire developing wing tissue in Drosophila. At each time point, cells are segmented using a progressive merging ap- proach with merging criteria that take typical cell shape characteristics into account. The method enforces biologically relevant constraints to improve the quality of the resulting segmentations. For cases where a full cell tracking is desired, I introduce a pipeline using a tracking-by-assignment approach. This allows me to link cells over time while considering critical events such as cell divisions or cell death. This work presents a very accurate large-scale cell tracking pipeline and opens up many avenues for further study including several in-vivo perturbation experiments as well as biophysical modeling. The methods introduced in this thesis are examples for computational pipelines that catalyze biological insights by enabling the quantification of tissue scale phenomena and dynamics. I provide not only detailed descriptions of the methods, but also show how they perform on concrete biological research projects.

Die Habilitationsschrift beinhaltet eine zusammenfassende Darstellung unterschiedlicher Marker der biologischen Psychiatrie. Hierzu wurden mittels neuroendokriner und molekulargenetischer Verfahren depressive Patienten, alkoholabhängige Patienten und schizophrene Patienten mit einer seltenen Arzneimittelnebenwirkung untersucht und die jeweiligen Befunde als State- Trait- und Residualmarker charakterisiert. Im Bereich Neuroendokrinologie wurden der Dex/CRH-Test und Liquoruntersuchungen bei depressiven Patienten und die Apomorphin-induzierte HGH-Sekretion bei alkoholabhängigen Patienten durchgeführt. Im Bereich Pharmakogenetik erfolgten molekularbiologische HLA-und Enzymsystemuntersuchungen bei Patienten mit einer Clozapin-induzierten Agranulocytose. Es zeigten sich folgende Charakterisierungen einzelner Substrate: * HHN-Systemveränderungen (messbar über Cortisol- und ACTH-Serumkonzentrationen) sind State-bzw. Residualmarker der Depression. CRH-, AVP-und Somatostatin-Liquorkonzentrationen sind keine biologischen Marker der Depression * Das HGH-"Blunting" alkoholabhängiger Patienten ist ein spezifischer Marker für Alkoholabhängigkeit mit ungünstigem klinischen Verlauf * Spezifische HLA-Haplotypen sind als Traitmarker der Clozapin-induzierten Agranulocytose zu werten. Enzymsystem-Polymorphismen haben keine Bedeutung bei der Entwicklung dieser Arzneimittelnebenwirkung Der spezifischen Charakterisierung einzelner Befunde schließt sich eine Diskussion über deren Bedeutung für die biologische Psychiatrie an. / Neuroendocrine and pharmacogenetic studies were performed in depressive and alcohol-dependent patients as well as schizophrenic patients with clozapine-induced agranulocytosis to characterize different serological or molecular substrates as state-, trait or residualmarker. Depressive patients were assessed using the dexamethasone/corticotropin releasing hormone test and measuring neuropeptide hormone concentrations in cerebrospinal fluid (CSF), whereas dopaminergic responsiveness of alcohol-dependant patients was assessed by the apomorphine-induced human growth hormone (HGH) secretion. HLA-subtyping and screening of relevant polymorphisms of clozapine metabolizing enzyme systems was performed in patients with clozapine-induced agranulocytosis (CA). * HPA-alterations as a function of cortisol-and ACTH serum concentration appear as state- and residual marker of depression. CSF-CRH, -AVP and -SOM do not fulfill marker criteria * HGH blunting may serve as a residual marker of alcoholism with poor clinical outcome * HLA alleles but not polymorphisms of clozapine metabolizing enzyme systems are associated with CA and thus, underline the importance of imunogenetic mechanisms in the pathophysiology of this idiosyncratic drug reaction. In conclusion, the importance of biological markers for psychiatric research and future directions are discussed

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Verhältnis zwischen Natur und Kultur in einer evolutionstheoretischen Perspektive. Mein theoretischer Ausgangspunkt ist ein sozial-ökologisches Rahmenkonzept, das physische Interaktionen zwischen Gesellschaften und ihrer natürlichen Umwelt in den Mittelpunkt stellt. Der Anspruch dieser sozial-ökologischen Sichtweise ist es, Gesellschaft-Natur-Interaktionen zu beschreiben, ohne in naturalistische oder kulturalistische Reduktionen zu verfallen. Dieser Ansatz muss daher davon ausgehen, dass "Gesellschaft" aus dem Zusammenwirken von symbolischen oder kulturellen Systemen und materiellen Elementen, zum Beispiel der menschlichen Bevölkerung, verstanden werden soll. Damit beschreitet diese Arbeit einen Weg, der die "zwei Kulturen", wie Snow es in seinem berühmten Aufsatz ausgedrückt hat, also die sozial- und geisteswissenschaftliche Kultur auf der einen Seite und die naturwissenschaftliche Kultur auf der anderen Seite, überbrücken will. Zunächst stelle ich ein so positioniertes sozial-ökologisches Rahmenkonzept vor. Ausgehend von drei möglichen sozial-ökologischen Konzepten, der humanökologischen Position Stephen Boydens, der kulutranthropologischen Theorie Maurice Godeliers und des umwelthistorischen Modells von Rolf Peter Sieferle, erarbeite ich ein epistemologisches Gesamtmodell der Gesellschaft-Natur Interaktionen, das sowohl mit wichtigen kultur- und sozialwissenschaftlichen Konzepten konsistent ist, als auch kompatibel mit einer naturwissenschaftlichen Betrachtungsweise. Daran anschließend unterziehe ich einige der vorgestellten Thesen, einer ersten empirischen Überprüfung. Das zweijährige Einschlussexperiment "Biosphäre 2" dient dabei gewissermaßen als sozial-ökologischer Modellfall. Kapitel 3 führt die Theoriediskussion weiter, jetzt jedoch mit einem anderen Fokus. Nicht mehr die Interaktion zwischen Gesellschaft und ihrer natürlichen Umwelt steht im Mittelpunkt der Überlegungen, sondern Gesellschaft und Kultur selbst. Die Frage, wie nützlich hier der Systembegriff sein kann, wird in konzeptueller und terminologischer Hinsicht diskutiert, ebenso wie die Positionierung einer solchen Theorie gegenüber verschiedenen kulturanthropologischen und soziologischen Theorien. Aufbauend darauf versuche ich eine Theorie der "kulturellen Evolution" zu entwickeln. Leitfragen dabei sind: Was ist Evolution? Was evolviert? Unter welchen Bedingungen kann man von kultureller Evolution sprechen? Schließlich werden aus den erarbeiteten theoretischen Positionen Schlussfolgerungen für eine mögliche Theorie der Gesellschaft-Natur Koevolution gezogen, Wege einer empirischen Umsetzung werden skizziert, und der Versuch unternommen, resümierend die Frage nach den Bedingungen der Möglichkeit nachhaltiger Entwicklung neu zu stellen. / This thesis deals with the interrelations between nature and culture from the perspective of evolutionary theory. The theoretical starting point is an overall social-ecological model that focuses on the physical interactions between societies and their natural environments. This social-ecological approach aims to describe society-nature interactions without reverting to "naturalistic" or "culturalistic" reductions. Society is understood here to be a hybrid comprising symbolic as well as material elements. Thus, the approach proposed here seeks to bridge what Snow in his well-known book termed the "two cultures," namely the culture of the sciences and culture of the humanities. The first chapter of this thesis proposes an overall social-ecological framework that is positioned in these terms. Beginning with a description of three socio-ecological models, as proposed by scientists from three different disciplines -- Stephen Boyden a human ecologist, Maurice Godelier, a cultural anthropologist, and Rolf Peter Sieferle, an environmental historian -- I proceed to develop my own epistemological model of society-nature interactions that is both consistent with central concepts of the social sciences and compatible with a natural sciences perspective. Some of the hypotheses elaborated upon in the first chapter are then exposed to empirical testing, whereby the famous two-year enclosure experiment "Biosphere 2" serves as a social-ecological case study. The third chapter resumes the theoretical discussion, focusing however on the concepts themselves of society and culture. The question of whether a systems approach is useful for and compatible with a socio-ecological model is discussed from a conceptual as well as a terminological point of view, as is the position of such a theory with regard to cultural-anthropological and sociological theories. It is concluded that a systems model is useful and necessary in a limited sense, yet the leading difference/s between nature and culture is/are reconfirmed. The fourth chapter strives to develop a theory of cultural evolution, based upon the positions elaborated thus far and beginning with a classification and discussion of various attempts to adapt evolutionary thinking to society or culture. Key questions here include: What is evolution? What evolves? When is it possible to speak of cultural evolution? My work leads me to suggest the use of an abstract version of the Darwinian algorithm in combination with systems theory to develop a concept of cultural evolution. Finally, I draw conclusions regarding a possible theory of society-nature co-evolution. The potential for empirical realisation is explored and an attempt is made in summing up to define the conditions necessary for a transition towards sustainable development.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die prozess- und steuerungstechnische Untersuchung der biologischen Trocknung von Restabfällen im dynamischen Reaktor. Die gezielte Kombination von biologischen und mechanischen Prozessen innerhalb eines Reaktors führt zu Eigenschaften des Outputmaterials, die die prinzipielle Überlegenheit des dynamischen Reaktors hinsichtlich Prozessbeeinflussbarkeit und Produktqualität deutlich belegen. Die vorgestellte Steuerungslösung besteht aus einem Modul zur Klassensteuerung, der in eine übergeordnete Ablaufsteuerung eingebettet wurde. Diesem Aufbau liegt die Feststellung zu Grunde, dass beim diskontinuierlich geführten Prozess die Eigenschaften des Reaktor-Abfall-Systems von Charge zu Charge sehr unterschiedlich ausfallen können. Mit fortschreitender Prozesszeit können bestimmte Eigenschaften, im konkreten Fall Wassergehalt und Aktivität des Materials aus dem Prozessverlauf selbst bestimmt werden. Voraussetzung dazu ist die Schaffung von vergleichbaren Prozessbedingungen durch eine vorgegebene Reihenfolge von Handlungen zu Beginn des Prozesses. Ab einem bestimmten Informationsstand kann die bis dahin schematische in eine automatische Prozessführung überführt werden. In dieser werden an die aktuelle Prozesssituation angepasste Handlungen ausgeführt.

Der Bericht fasst die Ergebnisse eines Forschungsprojektes zusammen, in dem Möglichkeiten zur Optimierung der maschinellen Unkrautregulierung untersucht wurden, um eine Reduzierung des Handarbeitsaufwands zu erreichen. Mit der erprobten Gerätekombination ist eine Senkung der Handarbeit gegenüber dem bisher in der Praxis üblichen Verfahren um 50 bis 60 Prozent möglich. In der optimalen Variante zur Unkrautregulierung wurde bei einem Ertrag von 98 dt/ha (2013) bzw. 108 dt/ha (2014) und einem kalkulierten Durchschnittserlös von 3,00 €/kg die Gewinnzone erreicht. Die Ergebnisse richten sich an Praktiker und Berater aus dem ökologischen und konventionellen Gartenbau.

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Der Bericht fasst die Ergebnisse einer Bewertung der im Entwicklungsprogramm für den ländlichen Raum im Freistaat Sachsen 2007–2013 (EPLR) beschriebenen Fördermaßnahmen zur naturschutzgerechten Grünland- und Ackerbewirtschaftung zusammen. Grundsätzlich konnte für die Flächen, die naturschutzgerecht bewirtschaftet werden, ein höherer naturschutzfachlicher Wert als für die nicht geförderten Vergleichsflächen festgestellt werden. Dies zeigt sich sowohl in der Ausstattung mit wertvollen Biotop- und Lebensraumtypen als auch bei der Vielfalt der Pflanzen- und untersuchten Tierarten. Besonders viele gefährdete Arten der Roten Liste wurden auf den Flächen der Maßnahme Naturschutzgerechte Wiesennutzung mit Düngungsverzicht und erster Nutzung ab 15. Juli (G3b) nachgewiesen.