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The determination of photometric redshifts is essential for many subjects in cosmology and extragalactic astronomy, like the large scale structure of the Universe, gravitational lensing, or galaxy evolution. If the spectral energy distribution (SED) of a galaxy is measured with high enough spectral resolution, the redshift can be easily derived through the absorption and emission lines which are created by the elements in the galaxy. However, currently more telescopes are equipped with large cameras with charged coupled devices (CCDs) that observe the sky through optical filters. With these photometric observations it is possible to detect much fainter astronomical objects than with spectroscopy. Furthermore, photometric observations are less time consuming and cheaper in comparison, wherefore they are preferentially used for observations of statistical meaningful cosmological volumes. Nonetheless, photometric data, which are often gained by observations through broadband filters, are not as precisely resolved as spectra. Therefore one does not have information about the accurate position in wavelength of spectral lines, but only about the overall shape of the SED. This is the reason why so-called photometric redshifts have to be derived by statistical means. One approach to estimate the redshift through photometry alone are template fitting methods which compare the fluxes predicted by model spectra with the observations. After that, a likelihood analysis is performed with which a probability density function P(z) and the most probable value of z can be derived. To achieve high accuracies with photometric redshift template fitting techniques, the model spectra as well as their corresponding prior probabilities have to be chosen carefully. In this work I use photometric and spectroscopic data of luminous red galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I analyze the precision of photometric redshifts estimated with model SEDs specifically designed to match the set of luminous red galaxies of SDSS-II at redshifts z ≤ 0.5 in color and I compare them with published results. These models were created without information on their properties at wavelengths shorter than the SDSS u band. However, the galaxy UV characteristics derived from the model SEDs match those of other observations. Furthermore, I investigate the SED properties derived from the best fitting models with respect to spectroscopic data as functions of redshift and luminosity. At lower redshifts less luminous galaxies from our sample on average show increased signs of star formation in comparison to galaxies with higher luminosities. This is supported by analyses of the line strengths in the spectra. Moreover, star formation activity increases with increasing redshift which is caused by the aging of the galaxy population from higher to lower redshifts. I also generate model spectra for red galaxies from the SDSS-III located at even higher redshifts 0.45 ≤ z ≤ 0.9. For this I modify the shape of theoretical spectra to match the data of the analyzed galaxies to a better extent. The multidimensional space defined by the colors and the absolute magnitude of the galaxies is reduced to two dimensions through a self-organizing map. The map is then partitioned by a k-means algorithm which identifies clusters in the data. From the cluster cells I select model spectra which represent the galaxies from within the same cell. A selection of the models is then used as a template set for photometric redshift estimation. I find that our models improve the redshift accuracy in comparison to the results published by SDSS. / Die Bestimmung kosmologischer Rotverschiebungen ist für viele Untersuchungen in der Kosmologie und extragalaktischen Astronomie essentiell. Dies sind z.B. Analysen der großskaligen Struktur des Universums, des Gravitationslinseneffekts oder der Galaxienentwicklung. In der Kosmologie statistisch aussagekräftige Volumina werden heutzutage meist durch Breitbandfilter beobachtet. Mit diesen photometrischen Beobachtungen kann man nur Aussagen über die grobe Form des Spektrums machen, weshalb man sich statistischer Mittel bedienen muss um die Rotverschiebung zu schätzen. Eine Methode zur Bestimmung photometrischer Rotverschiebungen ist es, Flüsse von Modellgalaxien in den Filtern bei verschiedenen Rotverschiebungen z vorherzusagen und mit den beobachteten Flüssen zu vergleichen (template fitting). Danach wird eine Likelihood-Analyse durchgeführt, in der die Vorhersagen mit den Beobachtungen verglichen werden, um die Wahrscheinlichkeitsdichte P(z) und die wahrscheinlichste Rotverschiebung zu bestimmen. Um mit template fitting Methoden möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, müssen die Modellspektren, sowie die zugehörigen a priori Wahrscheinlichkeiten sorgfältig ausgewählt werden. In dieser Arbeit nutze ich photometrische und spektroskopische Daten leuchtkräftiger roter Galaxien (LRGs) aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Ich untersuche die Genauigkeit photometrischer Rotverschiebungen, die mit Modellspektren erreicht werden, welche von mir speziell für den Satz LRGs bei z ≤ 0.5 (SDSS-II) entwickelt wurden, und vergleiche sie mit publizierten Ergebnissen. Diese Modelle wurden ohne Informationen aus Wellenlängenbereichen, die kurzwelliger als das SDSS u Band sind, erstellt. Die Galaxieneigenschaften, die wir aus den Modellen für den UV Bereich vorhersagen können decken sich allerdings mit denen aus anderen Beobachtungen. Darüber hinaus analysiere ich die sich daraus ergebenden Eigenschaften der am besten fittenden Modellspektren und vergleiche sie mit den spektroskopischen Daten. Aus den Ergebnissen ist abzuleiten, dass leuchtschwächere rote Galaxien bei niedriger Rotverschiebung im Mittel größere Anzeichen von Sternentstehung zeigen als leuchtkräftige, was durch Analysen der Spektren bestätigt wird. Überdies können wir einen Abfall im UV Fluss von höheren zu niedrigeren Rotverschiebungen hin beobachten, welcher durch die Alterung der Galaxienpopulation erzeugt wird. Desweiteren generiere ich Modellspektren für leuchtkräftige rote Galaxien aus SDSS-III bei höheren Rotverschiebungen 0.45 ≤ z ≤ 0.9. Ich modifiziere hierzu die Form theoretischer spektraler Energieverteilungen um die Farben der untersuchten Galaxien mit den Modellen bestmöglich wiedergeben zu können. Ich reduziere die Dimension des Raums, der durch die Farben und absoluten Helligkeiten aufgespannt wird, auf zwei Dimensionen mit einer selbstorganisierenden Karte. Diese wird mit einem k-means Algorithmus partitioniert indem wir Häufungspunkte der Daten identifizieren. Aus den sich ergebenden Partitionen selektiere ich einzelne Modellspektren, die die zugrundeliegenden Galaxien repräsentieren. Eine Auswahl aus den erstellten Modellen wird danach für die Schätzung photometrischer Rotverschiebungen verwendet, deren Genauigkeit über die von SDSS publizierten Ergebnisse hinausgeht.

Avian Influenza (AI) viruses pose a threat to human and animal health and are responsible for potential economic losses. From the waterfowl reservoir, these RNA viruses can be transmitted to domestic poultry and humans, causing illness and death among people as well as mass culling of farm birds worldwide. This study contributes to increasing the knowledge by evaluating a promising poxvirus-based vector vaccine that carries and expresses an artificial, computationally derived hemagglutinin sequence in order to induce immunity against low pathogenic avian influenza H9N2. Modified Vaccinia virus Ankara (MVA) based vaccines have been tested in multiple human and animal trials and proved to be a safe and reliable vector system. The ancestral strategy uses a hemagglutinin sequence located at the node of a phylogenetic tree which arranges virus strains according to their evolutionary relationship. Inactivated whole virus vaccines engineered this way have conferred cross-clade protection in the ferret model of influenza A virus infections. In the present study, we aimed at testing the ancestral H9N2 MVA vaccine in the chicken model. Hereby, we tried to find answers to the following questions: What levels of H9 specific antibody responses are induced in chicken? Do the antibodies elicited by the ancestral H9 antigen cross-react with H9 antigens from other virus strains? Do the induced antibodies confer protection?

Anaplasma phagocytophilum (Ap) is a gram-negative, obligate intracellular bacterium that is able to infect different animal species and humans worldwide. Based on DNA sequencing, Ap has newly been reallocated from the genus Ehrlichia to the genus Anaplasma in the family Anaplasmataceae (DUMLER et al. 2001). In humans and animals, the clinical signs of Ap infection vary from mild symptoms to severe clinical outcomes, including death. However, the disease generally presents as undifferentiated fever accompanied by leucopenia, thrombocytopenia and increased serum transaminase activities (DUMLER et al. 2005; DUMLER et al. 2007; RIKIHISA 2011). Hard-bodied ticks of the genus Ixodes (family Ixodidae) are the main vectors for Ap dissemination. Compared to other pathogens such as Neorickettsia and Wolbachia spp., which can be transmitted from adult ticks to their offspring, Anaplasma and Ehrlichia spp. are the only Rickettsiales that are not transmitted transovarially (RIKIHISA 2011). Thus, ticks need to acquire Ap through blood feeding from infected hosts to complete the life cycle of Ap. During attachment of the tick, the bacterium is released by salivary secretion and is transmitted to the host. It is known that Ap multiplies within membrane-bound vacuoles (or called ‘morulae’) in the cytoplasm of peripheral granulocytes. The binding and infection of bacteria depends on the tetrasaccharide sialyl Lewisx (sLex or CD15s) of P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) on the surface of host cells, a factor expressed on peripheral granulocytes and HL-60 cells (GOODMAN et al. 1999; HERRON et al. 2000; RENEER et al. 2006; RENEER et al. 2008). Only little information is known about the transmission pathway of Ap after tick bite in the very early stage of infection. It is described that Ap is able to evade and replicate within microvascular endothelial cells in vitro (MUNDERLOH et al. 2004), while endothelial cells lining the inner lumen of blood vessels allow them to easily interact with any circulating blood cells. Since granulocytes do not return back to the blood stream after extravasation, it is reasonable to postulate that Ap evades and replicates within microvascular endothelial cells in the initial transmission, and subsequently transmits into peripheral granulocytes for ongoing dissemination. Therefore, the objective of the study was to establish a flow culture model that mimics the physiological environment in the blood vessel to study the possible transmission pathway of Ap between endothelial cells and polymorphonuclear leukocytes (PMNs). For this purpose, a novel ex vivo flow culture system was established. For experimental setup, human microvascular endothelial cell line (HMEC-1) and primary human dermal microvascular endothelial cells (HDMEC) were used. Under static conditions, Ap evades endothelial cells within 24 h, supporting the hypotheses that endothelial cells might be the first infection site of the pathogen in the host. Thereby a high level of interleukin-8, a chemokine that is known to recruit PMNs, secreted by Ap-infected endothelial cells was detected. Using the investigated flow culture model, it was shown for the first time, that Ap is able to translocate from endothelial cells to PMNs under dynamic flow conditions. Furthermore, under defined shear stress, an increased binding of PMNs to Ap-infected endothelial cells monolayer was observed, resulting from the elevated expression of adhesion molecules associated with PMNs recruitment on endothelial cells. The flow culture model investigated in this study can be used to study the interaction between Ap-infected endothelial cells and PMNs under physiological flow conditions, and is therefore helpful to study the infection mechanism in the early stage of Ap dissemination in the host.

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The process of sex-determination can be better understood through examinations of developing organs and cells, which are involved in the formation of undifferentiated gonad. This mechanisms show in fish a broad variety, ranging from hermaphroditism to gonochorism and environmental to genetic sex determination. Hormones and abiotic factors such as temperature and pH can influence teleost development and reproductive traits. These factors are vulnerable to pollutants and climate changes. Therefore, it is important to examine gonad development and sex-determination/differentiation in teleost fish. Teleost fish are the largest known group of vertebrates with approximately 25,000 species and are used for such kind of examinations as model organisms. Recently, in Oryzias latipes (medaka), dmrt1bY (or dmy), a member of the Dmrt gene family, has been described as testis-determining gene. However, this gene is not the universal master sex-determining gene in teleost fish. Although dmrt1bY is present in the most closely related species of the genus, namely Oryzias curvinotous, it is absent from other Oryzias species, like Oryzias celebensis, and other fish. During my thesis, I studied gonad development in medaka and in the closely related species Oryzias celebensis. Germ cell specification in medaka seems to be dependent on maternally provided cytoplasmatic determinants, so called germ plasm. Nanos and vasa are such germ cell specific genes. In zebrafish they are asymmetrically localized in the early embryo. I have shown that nanos mRNA is evenly distributed in the early embryo of medaka. A similar pattern has been already described for the medaka vasa homolog, olvas. This suggests differences in PGC specification in zebrafish and medaka. Further, the vasa homolog was isolated and the expression pattern examined in O. celebensis. The results show that it can be used as a germ cell specific marker. Additionally, the primordial germ cell migration in O. celebensis was followed, which is similar to medaka PGC migration. Primordial germ cell migration in vertebrates is dependent on the chemokine stromal cell-derived factor 1 (Sdf-1). Medaka has two different sdf-1 genes, sdf-1a and sdf-1b. Both genes are expressed in the lateral plate mesoderm (LPM). During late embryonic development, I could show that sdf-1a is expressed in newly formed somites and not longer in the LPM. Sdf-1b expression persisted in the posterior part of the lateral plate mesoderm in the developing gonad. In terms of early and late functions, this suggests subfunctionalization of sdf-1a and sdf-1b. In “higher” vertebrates, genes that are involved in the process of gonad development have been studied in detail, e.g. Wt1, Sox9, and Amh. I have analyzed the expression pattern of wt1 and sox9 co-orthologs and amh. In both, the medaka and O. celebensis, wt1a transcripts were localized in the LPM and its expression was similar to sdf-1a gene expression in medaka. Wt1b expression was restricted to the developing pronephric region. During later embryonic development, wt1a is specifically expressed in the somatic cells of the gonad primordium in both sexes. This is the first time that in fish wt1 gene expression in developing gonads has been described. Therefore, this result suggests that wt1a is involved in the formation of the bipotential gonad. Furthermore, I have analyzed the gonad specific function of the wt1 co-orthologs in medaka. I could show that a conditional co-regulation mechanism between Wt1a and Wt1b ensures PGC maintenance and/or survival. The expression of sox9 genes in medaka and sox9b in O. celebensis were detected in the somatic cells of the gonad primordium of both sexes. Additionally, I have shown that amh and amhrII in medaka are expressed in somatic cells of the gonad primordium of both sexes. This suggests that sox9b, amh and amhrII are involved in gonad development and have specific functions in the adult gonad. In O. celebensis I could detect an expression of dmrt1 already six days after fertilization in half of the embryos, which is similar to the dmrt1bY expression in medaka. Whether the expression of dmrt1 is male specific in O. celebensis is currently under investigation. Altogether, the obtained results provide new insights into gene expression patterns during the processes of gonad development. Furthermore, no differences in the expression pattern of wt1a and sox9b during gonad development between the medaka and O. celebensis could be detected. This might indicate that the genetic mechanisms during gonad development are similar in both species. / Die Untersuchung der Keimzellwanderung in O. celebensis zeigte hohe Ähnlichkeiten zu der bereits Beschriebenen im Medaka. Die Keimzellwanderung in Wirbeltieren ist abhängig von stromal cell-derived factor 1 (Sdf-1), einem chemotaktisch wirkendem Zytokinin. Im Medaka existieren zwei sdf-1 Gene, sdf-1a und sdf-1b, die während der embryonalen Entwicklung im Seitenplattenmesoderm (LPM) exprimiert werden. Die Expression der beiden Gene unterscheiden sich jedoch zeitlich und auch örtlich im LPM. Dies lässt vermuten, dass sich im Verlauf der Evolution eine frühe und eine späte keimzellspezifische Funktion zwischen sdf-1a und sdf-1b aufgeteilt hat. In „höheren“ Wirbeltieren wurden schon verschiedene Gene, z.B. Wt1, Sox9 und Amh, in dem Prozess der Gonadenentwicklung beschrieben. Die Expressionsmuster von wt1 und sox9 Co-Orthologen und amh habe ich während meiner Arbeit untersucht. Im Medaka und in O. celebensis wird wt1a im LPM transkribiert und ähnelt der von sdf-1a im Medaka. Die Expression von wt1b erfolgt hingegen nur in der Region der Vorläufer-Niere. Im weiteren Verlauf der Embryogenese ließen sich wt1a Transkripte erstmalig in somatischen Zellen des Gonaden-Vorläufers nachweisen. Wt1a spielt vermutlich eine Rolle in der Entwicklung der bipotentialen Gonade. Die funktionelle Analyse von wt1 Genen im Medaka zeigte, dass durch eine konditionale Co-Regulation zwischen wt1a und wt1b die Keimzellen überleben bzw. erhalten bleiben. Die Expression von sox9b im Medaka und in O. celebensis ließ sich in somatischen Zellen des Gonaden-Vorläufers nachweisen. Zusätzlich werden amh und amhrII ebenfalls in somatischen Zellen beider Geschlechter exprimiert, daher kann man eine wichtige Rolle dieser Gene während der Gonadenentwicklung und in der adulten Gonade annehmen. Die Expression von dmrt1 in O. celebensis konnte ich, in etwa der Hälfte der beobachteten Embryonen, bereits schon früh in der embryonalen Entwicklung (6 Tage nach der Befruchtung) nachweisen. Das Transkriptionsmuster von dmrt1 in O. celebensis ist ähnlich der Expression von dmrt1bY im Medaka. Inwieweit diese Expression in O. celebensis spezifisch für Männchen ist wird zurzeit noch untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen neue Einblicke in die Genexpressionsmuster der Gonadenentwicklung von Medaka und O. celebensis und weisen neue Möglichkeiten für weitere Forschungen auf. Des Weiteren konnte ich im Verlauf der Gonadenentwicklung keine Unterschiede in der Genexpression von wt1a und sox9b zwischen Medaka und O. celebensis nachweisen. Dies deutet an, dass die genetischen Mechanismen der Gonadenentwicklung zwischen den beiden nahverwandten Arten sehr ähnlich sind.

In the present study a knockout mouse model of the Popeye domain containing gene 2 (Popdc2) was generated and functionally characterized. The Popdc2 null mutants were viable with an apparent normal life span. ß-galactosidase staining to visualize the expression of the Popdc2-LacZ transgene revealed the presence of the Popdc2 in heart, bladder, smooth and skeletal muscles. In the heart LacZ was found to be present in cardiac myocytes with elevated levels in the myocytes of the cardiac conduction system. Holter ECGs records of the heart function of the 8 months (but not in 3 and 6 months) old mutant and WT littermates revealed a pronounced sinus bradycardia in the mutant mice in response to three different stress regimens: isoproterenol infusion, mental stress and a physical exercise. Histological examination of the Popdc2 null mutants SAN revealed structural alterations as was detected by HCN4 staining. Moreover, volume measurements using 3-D reconstructions of serial sections stained with HCN4 antibody revealed a volume reduction of about 30% in the mutant SAN. Taken together data presented in this study suggest that the Popdc2 KO mouse line may serve as an animal model of human sick sinus syndrome. In the second part of this thesis the Popdc2 gene promoter was analyzed. Three transcription factors binding sites were predicted in the promoter region and characterized. / Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Generierung und Analyse der Popdc2 Knockout Maus. Die Expression des Popdc2-LacZ Konstruktes war vorwiegend im Herz, der Blase, sowie in der glatten und Skelett Muskulatur detektierbar/sichtbar. Der Herzrhythmus 8 Monate alter Popdc2 Mutanten und WT Nachkommen wurde anhand von Elektrokardiogrammen (EKGs) untersucht. Bei dieser Analyse wurden die Mäuse verschiedenen Stresssituationen ausgesetzt, d.h. Injektion von Isoproterenol, mentaler bzw. physikal. Stress. Die Aufzeichnung der EKG-Kurve erfolgte direkt nach der Stressinduktion über eine Zeitspanne von 6 Minuten. Es konnte gezeigt werden, dass die Mäuse eine ausgeprägte Sinus Bradykardie entwickelten. Anhand histologischer Schnitte 8 Monate alter Popdc2 KO SAN Mäuse konnten strukturelle Veränderungen im Vergleich zum WT aufgedeckt werden. Auf der Grundlage serieller Schnitte, gefärbt mit HCN4 Antikörper, wurden 3D-Rekonstruktionen erzeugt. Dabei stellte sich heraus, dass das Volumen des SAN in Popdc2 Mutante um 30% gegenüber dem Wildtyp verringert ist. Auf Grund der hier vorgestellten Daten scheint die Popdc2 KO Maus ein nützliches Tiermodell im Hinblick auf menschl. Sinus-Erkrankungen zu sein. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Popdc2 Promotor Analyse. In Promotorregion konnten drei Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren charakterisiert werden. Um weitere Faktoren, die eine Rolle bei der Popdc2 Genregulation spielen könnten, zu identifizieren sind weiterführende Studien unerlässlich.

Natürliche Haftsysteme übertreffen technische Kleber in mehreren Aspekten: Sie haften auf nahezu allen Oberflächen, sind selbstreinigend und sind in ihrer Haftstärke dynamisch kontrollierbar. Für Tiere mit Haftorganen ist deren Kontrolle eine Grundvoraussetzung für effiziente Lokomotion. Wie können Tiere gut an Oberflächen haften und gleichzeitig schnell laufen? Wie werden Haftorgane kontrolliert, um auf rauen oder glatten Oberflächen senkrecht oder kopfüber zu haften und wieder loszulassen? Die vorliegende Arbeit untersucht am Beispiel vonWeberameisen (Oecophylla smaragdina), welche Kontrollmechanismen Insekten verwenden, um den Konflikt zwischen Haftung und Fortbewegung zu bewältigen. Weberameisen besitzen an ihren Füßen zwischen den Krallen ein entfaltbares Haftorgan (Arolium), welches im Vergleich zu anderen Hymenopteren stark vergrößert ist. Ihre enormen Haftkräfte (mehr als das 100-fache ihres Körpergewichtes) werden hauptsächlich eingesetzt, um Blätter für ihren Nestbau in den Baumkronen zusammenzuziehen. Sie sind Meister der Haftung und gute Läufer zugleich und eigneten sich daher sehr gut als Modellsystem. In der Arbeit wurde dieWechselwirkung von Haftung und Bewegung auf mehreren hierarchischen Ebenen untersucht, vom gesamten Körper über die Beine bis zum Haftorgan selbst. Es zeigte sich, dass Kontrollmechanismen auf allen drei Ebenen vorliegen. Im ersten Teil der Arbeit wurde durch Manipulationen an der Krallenziehersehne die komplexe innere Mechanik des Prätarsus aufgeklärt. Es zeigte sich, dass die Bewegungen von Tarsus, Krallen und Arolium in einer koordinierten Reihenfolge erfolgten. Durch Amputationen der Krallenspitzen an lebenden Ameisen konnte bestätigt werden, dass die Entfaltung des Aroliums durch das Verhaken der Krallen auf rauen Oberflächen mechanisch eingeschränkt wird. Der Einsatz des Aroliums war auch abhängig von der Oberflächenorientierung. Weberameisen setzten ihr Haftorgan beim aufrechten Laufen überhaupt nicht ein, beim Kopfüberlaufen auf glatten Oberflächen wurde dagegen nur ein Bruchteil der maximal möglichen Haftkontaktfläche entfaltet. Die Versuche zeigten, dass Ameisen die Entfaltung des Aroliums entweder aktiv, d. h. durch Kontraktion des Krallenziehermuskels, oder passiv durch Zugbewegungen des Tarsus graduell variieren. Beide Mechanismen werden von den Ameisen verwendet, um die ansonsten klein gehaltene Haftkontaktfläche bei Bedarf (z. B. bei Zusatzbeladungen) zu vergrößern. Die passive Entfaltung ist von der neuromuskulären Kontrolle entkoppelt und unterliegt somit nicht den Zeitverzögerungen von Reflexreaktionen. Durch plötzliche laterale Verschiebung der Laufoberfläche durch einen Stoß konnte eine schlagartige Ausfaltung der Arolien ausgelöst werden, die wesentlich schneller ablief als alle bekannten Reflexreaktionen. Dies kann als Sicherheitsmechanismus interpretiert werden, womit sich die Ameisen bei starken Erschütterungen der natürlichen Laufsubstrate (Blätter) durchWindstöße oder Regentropfen festhalten können. Sowohl Kraftmessungen an der Krallenziehersehne, welche die Kontraktion des Krallenziehermuskels nachahmten als auch Reibungskraftmessungen zur passiven Entfaltung des Aroliums zeigten, dassWeberameisen im Vergleich zu einer bodenlebenden Ameise ihre Haftorgane leichter entfalten konnten. Dies erleichtert es ihnen, ihre Haftorgane über lange Zeit im entfalteten Zustand zu halten, wie es beispielsweise beim Nestbau erforderlich ist. Mit Hilfe von dreidimensionalen Kinematikstudien konnte gezeigt werden, dass Weberameisen durch Änderungen des Beinwinkels zur Oberfläche das Schälverhalten der Haftorgane beeinflussen. Ein flacherer Winkel verhinderte das Abschälen der Haftorgane während der Standphase oder beim Tragen von Zusatzlasten; ein steilerer Tarsus hingegen erleichterte das Abschälen während der Ablösephase. Dieses Verhalten wurde mit dem Modell eines Klebebandes verglichen. Allerdings veränderten sich die Haftkräfte in einem bestimmten Winkelbereich deutlich stärker, als die Schältheorie es vorhersagen würde. Die starken Unterschiede in der Haftkraft an dieser Schwelle sind jedoch biologisch sinnvoll und werden wahrscheinlich von den Ameisen verwendet, um schnell zwischen Haften und Lösen zu wechseln. Messungen der Bodenreaktionskräfte zeigten einen weiteren Ablösemechanismus: Während der Ablösephase wird durch distales Schieben des Beines das Haftorgan entlastet und so eine passive Rückfaltung des Aroliums erlaubt. Beide Ablösemechanismen (Schälen und Entlasten) wurden für einzelne Beinpaare im unterschiedlichen Ausmaß von den Ameisen verwendet. Eine Umorientierung zur Schwerkraftrichtung, z. B. beim Kopfüberlaufen, hatte auch Einfluss auf das Laufmuster und die Beinstellung relativ zum Körperschwerpunkt. Die Ameisen passten beim Kopfx überlaufen ihren Gang so an, dass sie mehrere Beine gleichzeitig in Bodenkontakt hielten und langsamere und kürzere Schritte machten. Entstandene Drehmomente beim Tragen von Zusatzlasten wurden durch gezielte Änderungen der Beinpositionen ausgeglichen. Meine Arbeit zeigt, dass Insekten die Oberflächenhaftung auf verschiedenen hierarchischen Ebenen mit Hilfe verschiedener Anpassungen kontrollieren und dabei elegant neuromuskuläre Steuerungen mit rein passiven Mechanismen vereinigen. Die hier für Weberameisen exemplarisch untersuchten Effekte sind von allgemeiner Bedeutung für alle Tiere, die sich mit Hilfe von Haftorganen fortbewegen. Ein Verständnis der Mechanismen, mit denen Insekten Haftung dynamisch kontrollieren, könnte wichtige Anregungen für die Entwicklung von kletterfähigen Laufrobotern liefern. / Natural adhesive pads outperform technical adhesives in many aspects: they can stick to almost every surface, they have self-cleaning capabilities and are highly dynamic and versatile in their adhesive strength. Animals walking with adhesive pads have to vary their adhesion with each step in order to adhere safely yet have to detach their feet quickly and effortlessly. How can these animals control their attachment whilst walking upright or upside down, on different surface roughnesses or when carrying additional loads? Weaver ants (Oecophylla smaragdina) have foldable adhesive pads (arolia) at the tip of their feet, which are relatively large compared to other Hymenoptera. They use their pads to adhere to slippery leaf surfaces when they construct their nests in the tree canopy. Since these ants are both good runners and are capable of generating adhesive forces of more than 100 times their own body weight, they form a good model to study the conflict between locomotion and adhesion. In my thesis I have focused on the control mechanisms of adhesion at several hierarchical levels, from body kinematics to leg posture to the mechanics of the adhesive pad itself. In the first part of my studies, manipulation experiments on the claw flexor tendon revealed the complex inner mechanics of the pretarsus. A pull on the tendon elicited a coordinated sequence of movements where the arolium moved after the flexion of the claws. When ants run on rough surfaces the contraction of the muscle is stopped mechanically by the interlocking of the claws and prevents the unfolding of the arolium. Claw amputation experiments on walking ants confirmed that the mechanical control of the arolium depended on surface roughness. The unfolding of the arolium also varied with the load acting on the ants. When ants walked upright their pads were never engaged. When they walked in an upside down manner they used only a fraction of their possible contact area and increased their pad contact area when they carried additional loads. Ants adapted the pad contact size acitvely by a contraction of the claw flexor muscle and/or passively by a proximal pull on the leg. The passive unfolding mechanism of the pads is decoupled from a neuronal control and therefore can be very fast. In experiments where the substrate were displaced rapidly it caused a sudden unfolding of the arolium. The arboreal Weaver ants may use this as a safety mechanism to cling onto the leaves when heavy raindrops or wind gusts shake the substrate. Despite the large size of the arolium in Weaver ants, both the active and passive unfolding required less force than the measured for the smaller pads of a ground living species. The economical unfolding might help the ants to keep the pads unfolded over longer periods, for instance when they keep prey insects down, carry them or when they hold leaves in place for their nest contruction. Kinematic studies revealed that movements of the legs can influence the attachment and detachment of the pads in normal walking and when they carried loads. Ants prevented peeling of their pads by reducing the angle of the tarsus to the surface. Like peeling off an adhesive tape, the pull-off forces depend on the angle of pulling. However, experiments showed that ants quickly detach from a surface when the angle of their tarsus reaches an upper range of angles. By varying the tarsus angle slightly, ants may switch easily between attachment and detachment. Recording of ground reaction forces revealed another detachment mechanism. Walking ants unloaded their feet by distally pushing the leg in order to allow a passive recoil of the tarsus and the self-elastic arolium. Both mechanisms (peeling and unloading) were used in the three leg pairs to a different extend. Running upside down also changed the walking pattern. Ants kept more feet in simultaneous surface contact and walked more slowly. When ants carried loads upside down they compensated for tipping moments of the body, by varying the footfall positions. In summary,Weaver ants can control their attachment on different hierarchical levels and combine neuronal and passive mechanisms in an elegant way. The results shown here forWeaver ants are exemplary for all animals walking with adhesive pads and may provide insights for equipping climbing robots with artificial pads.

In this thesis, the low-temperature regime of replica symmetry breaking in the SK-model has been thoroughly investigated. In order to access this regime and to perform self-consistence calculations with high accuracy at high orders of replica symmetry breaking, a formalism has been developed which reduces the numerical effort to the absolute minimum. The central idea of its derivation is the identification of asymptotic regions in which the recursion relations can be solved analytically. The new object in the numerical treatment is then the correction to this asymptotic regime, represented by a sequence of so-called kernel correction functions. This method increased the effciency of the numerics considerably so that up to 200 orders of RSB could be calculated at zero temperature and zero external field, and up to 60 (65) orders of RSB for finite temperature (external field). The remarkable high precision of these calculations allowed the extraction of several quantities with accuracy exceeding the literature values by several orders of magnitude. The results of the numerical calculations have been analyzed in great detail. Especially the convergence behavior of various observables and of the order function with respect to the RSB order has been investigated since the high but finite RSB regime has been addressed in the present work for the first time. Several unexpected features of finite order replica symmetry breaking have been observed. / In der vorliegenden Dissertation wurden die Eigenschaften der Replikasymmetriebrechung (RSB) im Sherrington-Kirkpatrick-Modell bei tiefen Temperaturen gründlich untersucht. Um entsprechend tiefe Temperaturen und sogar T = 0 zu erreichen und gleichzeitig die Selbstkonsistenzrechnungen mit hoher numerischer Genauigkeit und bei hohen RSB Ordnungen durchzuführen, wurde ein Formalismus entwickelt, welcher den numerischen Aufwand auf ein absolutes Minimum reduziert. Das zentrale Konzept der Ableitung dieser Formulierung ist die Identifikation asymptotischer Bereiche, in denen die Rekursionsgleichungen der Replikasymmetriebrechung bei endlichen Ordnungen analytisch gelöst werden können. Das neue Objekt, welches numerisch behandelt werden muss, ist die Korrektur zu diesen asymptotischen Bereichen, welche durch eine Reihe von Funktionen, den sogenannten kernel correction functions beschrieben wird. Diese Methode hat die Effizienz der numerischen Behandlung erheblich verbessert, so dass bis zu 200 RSB Ordnungen bei verschwindender Temperatur und bei verschwindendem Magnetfeld und bis zu 60 (65) RSB Ordnungen bei endlichen Temperaturen (Magnetfeldern) berechnet werden konnten. Die ungewöhnlich hohe Genauigkeit dieser Rechnungen erlaubte die Bestimmung vieler Observablen mit einer Genauigkeit, die mehrere Größenordnungen über den Literaturwerten liegt. Die Ergebnisse der numerischen Rechnungen wurden im Detail analysiert. Speziell das Konvergenzverhalten der Ordnungsfunktion und der interessanten Observablen als Funktionen der RSB Ordnung wurde untersucht. Dieser Bereich hoher, aber endlicher RSB Ordnungen wurde in der vorliegenden Arbeit das erste Mal analysiert und viele unerwartete Eigenschaften wurden gefunden.