In recent years high-throughput experiments provided a vast amount of data from all areas of molecular biology, including genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics. Its analysis using bioinformatics methods has developed accordingly, towards a systematic approach to understand how genes and their resulting proteins give rise to biological form and function. They interact with each other and with other molecules in highly complex structures, which are explored in network biology. The in-depth knowledge of genes and proteins obtained from high-throughput experiments can be complemented by the architecture of molecular networks to gain a deeper understanding of biological processes. This thesis provides methods and statistical analyses for the integration of molecular data into biological networks and the identification of functional modules, as well as its application to distinct biological data. The integrated network approach is implemented as a software package, termed BioNet, for the statistical language R. The package includes the statistics for the integration of transcriptomic and functional data with biological networks, the scoring of nodes and edges of these networks as well as methods for subnetwork search and visualisation. The exact algorithm is extensively tested in a simulation study and outperforms existing heuristic methods for the calculation of this NP-hard problem in accuracy and robustness. The variability of the resulting solutions is assessed on perturbed data, mimicking random or biased factors that obscure the biological signal, generated for the integrated data and the network. An optimal, robust module can be calculated using a consensus approach, based on a resampling method. It summarizes optimally an ensemble of solutions in a robust consensus module with the estimated variability indicated by confidence values for the nodes and edges. The approach is subsequently applied to two gene expression data sets. The first application analyses gene expression data for acute lymphoblastic leukaemia (ALL) and differences between the subgroups with and without an oncogenic BCR/ABL gene fusion. In a second application gene expression and survival data from diffuse large B-cell lymphomas are examined. The identified modules include and extend already existing gene lists and signatures by further significant genes and their interactions. The most important novelty is that these genes are determined and visualised in the context of their interactions as a functional module and not as a list of independent and unrelated transcripts. In a third application the integrative network approach is used to trace changes in tardigrade metabolism to identify pathways responsible for their extreme resistance to environmental changes and endurance in an inactive tun state. For the first time a metabolic network approach is proposed to detect shifts in metabolic pathways, integrating transcriptome and metabolite data. Concluding, the presented integrated network approach is an adequate technique to unite high-throughput experimental data for single molecules and their intermolecular dependencies. It is flexible to apply on diverse data, ranging from gene expression changes over metabolite abundances to protein modifications in a combination with a suitable molecular network. The exact algorithm is accurate and robust in comparison to heuristic approaches and delivers an optimal, robust solution in form of a consensus module with confidence values. By the integration of diverse sources of information and a simultaneous inspection of a molecular event from different points of view, new and exhaustive insights into biological processes can be acquired. / In den letzten Jahren haben Hochdurchsatz-Experimente gewaltige Mengen an molekularbiologischen Daten geliefert, angefangen mit dem ersten sequenzierten Genom von Haemophilus influenzae im Jahr 1995 und dem menschlichen Genom im Jahr 2001. Mittlerweile umfassen die resultierenden Daten neben der Genomik die Bereiche der Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik. Die Analyse der Daten mithilfe von bioinformatischen Methoden hat sich entsprechend mit verändert und weiterentwickelt. Durch neuartige, systembiologische Ansätze versucht man zu verstehen, wie Gene und die aus ihnen resultierenden Proteine, biologische Formen und Funktionen entstehen lassen. Dabei interagieren sie miteinander und mit anderen Molekülen in hoch komplexen Strukturen, welche durch neue Ansätze der Netzwerkbiologie untersucht werden. Das tiefgreifende Wissen über einzelne Moleküle, verfügbar durch Hochdurchsatz-Technologien, kann komplementiert werden durch die Architektur und dynamischen Interaktionen molekularer Netzwerke und somit ein umfassenderes Verständnis biologischer Prozesse ermöglichen. Die vorliegende Dissertation stellt Methoden und statistische Analysen zur Integration molekularer Daten in biologische Netzwerke, Identifikation robuster, funktionaler Subnetzwerke sowie die Anwendung auf verschiedenste biologische Daten vor. Der integrative Netzwerkansatz wurde als ein Softwarepaket, BioNet, in der statistischen Programmiersprache R implementiert. Das Paket beinhaltet statistische Verfahren zur Integration transkriptomischer und funktionaler Daten, die Gewichtung von Knoten und Kanten in biologischen Netzwerken sowie Methoden zur Suche signifikanter Bereiche, Module, und deren Visualisierung. Der exakte Algorithmus wird ausführlich in einer Simulationsstudie getestet und übertrifft heuristische Methoden zur Lösung dieses NP-vollständigen Problems in Genauigkeit und Robustheit. Die Variabilität der resultierenden Lösungen wird bestimmt anhand von gestörten integrierten Daten und gestörten Netzwerken, welche zufällige und verzerrende Einflüsse darstellen, die die Daten verrauschen. Ein optimales, robustes Modul kann durch einen Konsensusansatz bestimmt werden. Basierend auf einer wiederholten Stichprobennahme der integrierten Daten, wird ein Ensemble von Lösungen erstellt, aus welchem sich das robuste und optimale Konsensusmodul berechnen lässt. Zusätzlich erlaubt dieser Ansatz eine Schätzung der Variabilität des Konsensusmoduls und die Berechnung von Konfidenzwerte für Knoten und Kanten. Der Ansatz wird anschließend auf zwei Genexpressionsdatensätze angewandt. Die erste Anwendung untersucht Genexpressionsdaten für akute lymphoblastische Leukämie (ALL) und analysiert Unterschiede in Subgruppen mit und ohne BRC/ABL Genfusion. Die zweite Anwendung wertet Genexpressions- und Lebenszeitdaten für diffuse großzellige B-Zell Lymphome (DLBCL) aus, beruhend auf molekularen Unterschieden zwischen zwei DLBCL Subtypen mit unterschiedlicher Malignität. In einer dritten Anwendung wird der integrierte Netzwerkansatz benutzt, um Veränderungen im Metabolismus von Tardigraden aufzuspüren und Signalwege zu identifizieren, welche für die extreme Anpassungsfähigkeit an wechselnde Umweltbedingungen und Überdauerung in einem inaktiven Tönnchenstadium verantwortlich sind. Zum ersten Mal wird dafür ein metabolischer Netzwerkansatz vorgeschlagen, der metabolische Veränderungen durch die Integration von metabolischen und transkriptomischen Daten bestimmt. Abschließend ist zu bemerken, dass die präsentierte integrierte Netzwerkanalyse eine adäquate Technik ist, um experimentelle Daten aus Hochdurchsatz-Methoden, die spezialisiert auf eine Molekülart sind, mit ihren intermolekularen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten in Verbindung zu bringen. Sie ist flexibel in der Anwendung auf verschiedenste Daten, von der Analyse von Genexpressionsveränderungen, über Metabolitvorkommen bis zu Proteinmodifikationen, in Kombination mit einem geeigneten molekularen Netzwerk. Der exakte Algorithmus ist akkurat und robust in Vergleich zu heuristischen Methoden und liefert eine optimale, robuste Lösung in Form eines Konsensusmoduls mit zugewiesenen Konfidenzwerten. Durch die Integration verschiedenster Informationsquellen und gleichzeitige Betrachtung eines biologischen Ereignisses von diversen Blickwinkeln aus, können neue und vollständigere Erkenntnisse physiologischer Prozesse gewonnen werden.

In dieser Arbeit wurden zwei Messaufbauten für die online Gasanalyse von elektrochemischen Reaktionen entwickelt und im Hinblick auf ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie auf den Designprozess im Allgemeinen verglichen: Differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Nebenreaktionen in Natriumionenbatterien (SIBs). Verschiedene Designansätze aus der Literatur wurden verglichen, um den für die Anwendung in SIBs am besten geeigneten zu finden. Danach wurde ein selbst entwickeltes Design implementiert und validiert. Für die Datenauswertung wird ein neuartiger Ansatz für DEMS in Alkaliionenbatterien vorgestellt, der eine interne Validierung der Ergebnisse ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Literatur über bekannte Reaktionen, die zur Gasbildung in Alkali-Ionen-Batterien führen, wird als Referenz die Gasentwicklung in den in dieser Arbeit untersuchten Materialien herangezogen. Das System wird zur Messung der Gasentwicklung verschiedener Elektrodenmaterialien in Halbzellenkonfiguration und zur Bewertung des Zusammenspiels einiger Elektroden in Vollzellenkonfiguration verwendet. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um: Natrium-Mangan-Nickeloxid (NaMNO), Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), Preußisch Weiß (PW), Graphit und Hartkohlenstoff. Als Elektrolyte wurden überwiegend 1M NaPF6 in Diglyme (2G), bzw. Propylencarbonat (PC) verwendet. Das zweite System ist eine rotierende Scheibenelektrode in Verbindung mit Gaschromatographie (RDE-GC). Es wurde entwickelt, um kinetische Effekte bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion an Kupferelektroden zu untersuchen. Die Korrelation von Massentransporteigenschaften und der Gasproduktanalyse kann Aufschluss über die Massentransportabhängigkeit von Selektivität und Aktivität der Reaktion geben. Hier wird die Gasanalyse genutzt, um die elektrochemischen Daten in Teilstromdichten zu dekonvolutieren, die unter definierten Stofftransportbedingungen zur Bildung verschiedener Produkte führen. / In this thesis two independent measurement setups for online gas analysis, in electrochemical reactions are developed and compared in terms of their differences and similarities and on the design: Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) for the investigation of side reactions in sodium-ion batteries (SIBs). Different design approaches from literature are evaluated to find the most suitable for the application in SIBs. After that a custom design is implemented and validated. A novel approach to DEMS in alkali-ion batteries for the data evaluation is presented, that enables internal verification of the results. Known reactions that lead to gas formation in alkali-ion batteries are reviewed form the literature, as a reference to discuss the gas evolution found in materials investigated. The system is used to measure the gas evolution of different electrode materials in half-cell configuration, and to evaluate the interplay of some of the electrodes in full-cell configuration. Materials that are studied are: sodium manganese nickel oxide (NaMNO), sodium vanadium phosphate (NVP), prussian white (PW), graphite and hard carbon. To do that two model electrolytes were selected 1M NaPF6 in diglyme (2G) and propylene carbonate (PC). The second system is a rotating disc electrode coupled with gas chromatography (RDE-GC). It is designed to study kinetic effects on the electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) on copper electrodes. The correlation of defined mass transport properties and gas product analysis can give insight into the mass transport dependencies on the selectivity and activity of the reaction. Here the gas analysis is used to deconvolute the electrochemical data into partial current densities, that lead to the formation of different products, under defined mass transport conditions. While some challenges remain, preliminary data that underlines the capability of such system as well as the findings on how to design such a system are presented.

Verschiedene Schulleistungsstudien stellten für Kinder mit nicht-deutscher Familiensprache bereits in der Grundschule substanzielle Disparitäten im Bereich Mathematik fest. Diese Disparitäten führten zu der Frage, ob die verwendeten Testverfahren zu hohe sprachliche Hürden für Kinder mit nicht-deutscher Familiensprache aufweisen und daher nicht ausreichend in der Lage sind, die Kompetenzen dieser Gruppe valide zu erfassen. In dieser kumulativen Arbeit wurde geprüft, inwiefern die sprachliche Komplexität von Mathematikaufgaben in der Grundschule einen benachteiligenden Einfluss auf die Erfassung der Mathematikleistung von Kindern mit nicht-deutscher Familiensprache darstellt. Zunächst wurde geprüft, ob die in nationalen Schulleistungsstudien verwendeten Aufgaben für diese Gruppe differenziell valide sind. Daran anschließend wurde untersucht, ob sich itemspezifische Kompetenznachteile durch die sprachlichen Merkmale der Aufgaben erklären lassen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die differenzielle Validität der betrachteten Testverfahren für Kinder mit nicht-deutscher Familiensprache insgesamt gering ausgeprägt ist. Ferner wurde festgestellt, dass sich die einzelnen sprachlichen Merkmale der Aufgaben sowohl spezifisch als auch gemeinsam auf die differenzielle Validität auswirken. Der größte Anteil der itemspezifischen Kompetenznachteile wurde durch mehrere Merkmale gemeinsam aufgeklärt. Eine experimentelle Teilstudie zeigte, dass eine sprachliche Vereinfachung nicht geeignet scheint, um die Kompetenznachteile von Kindern mit nicht-deutscher Familiensprache substanziell zu verringern. Ein Vergleich der Effekte sprachlicher Merkmale von Mathematikaufgaben auf die Mathematikleistungen von Kindern mit nicht-deutscher Familiensprache zwischen der dritten und der vierten Klassenstufe ergab, dass sich die sprachliche Komplexität der Aufgaben vor allem für jüngere Grundschulkinder unabhängig von ihrer Familiensprache benachteiligend auswirkte. / Large-scale assessment studies have repeatedly documented performance disadvantages of language minority students in German elementary schools. The substantial achievement gap has led to concerns regarding the validity of large-scale assessment items for language minority students. It may be the case that these performance differences are, in part, due to high language demands of the test items. These items may selectively disadvantage language minority students in the testing situation. This dissertation project investigated the connection between the academic language demands of mathematics test items and the test performance of monolingual students and language minority students. First, it was investigated whether the test items were differentially valid for language minority students. Moreover, the connection between the differential validity and the linguistic complexity of the test items was tested. The findings indicated that overall, differential validity of the examined tests for language minority students was low. However, the test items’ language demands were related to differential validity. The largest proportion of item-specific performance disadvantages was explained by confounded combinations of several linguistic features. Additionally, unique effects of descriptive, lexical, and grammatical features were identified. An experimental study showed that linguistic simplification did not seem to be a promising method to substantially reduce the performance differences between language minority students and German monolingual students. A comparison of differential effects of mathematics items’ language demands for language minority students over two adjacent grade levels indicated that the impact of academic language demands seemed to depend on grade level rather than on language minority student status. Regardless of their home language, younger students seemed to struggle more with linguistically complex test items than older students.

Diese Dissertation untersucht das variable Verhalten von sogenannten „bare nouns“ (Nominale ohne Artikel) im Persischen. Dieses Verhalten kann jedoch nicht verstanden werden ohne eine Reihe von entscheidenden Eigenschaften der persischen Satzstruktur zu betrachten. Dazu gehören Informationsstruktur, Prosodie und Wortstellung, sowie die semantischen und syntaktischen Funktionen verschiedener morphologischer Markierungen im Persischen. Die vorliegende Dissertation kann daher zum besseren Verständnis von satzinterner Syntax, Semantik und Prosodie des Persischen beitragen. Ich beginne meine Untersuchung mit dem Vergleich der BNs in verschiedenen Positionen mit Nominalen, die mit verschiedenen Morphemen gekennzeichnet sind. Die quasi-inkorporierten Nominale im Persischen scheinen zur Klasse der diskursintransparenten inkorporierenden Sprachen zu gehören. Doch dies scheint nicht immer zu stimmen, unter bestimmten Umständen zeigen persische BNs Diskurstransparenz. In Kapitel 3 untersuche ich daher, unter welchen Umständen BNs Diskurstransparenz zeigen und warum. In Kapitel 3 präsentiere ich einen Alternativvorschlag zu Farkas & de Swart, in dem ich darlege, dass ein BN tatsächlich einen neuen Diskursreferenten einführt. Aber der Numerus von BNs ist neutral (numerusneutralen Diskursreferenten).In der zweiten Hälfte der Dissertation wird die Interpretation von BNs in verschiedenen Positionen und mit unterschiedlichen grammatischen Funktionen diskutiert. Kapitel 4 konzentriert sich auf BNs in Objektposition. Wir stellen einen direkten Vergleich an zwischen BNs als tatsächliche BNs, d.h. Nominale, die nicht mit einem Morphem markiert sind, und Kontexten, in denen sie mit dem Morphem -ra auftreten. Ich werde argumentieren, dass -ra lediglich markiert, dass ein BN oder auch ein anderes Nominal nicht in seiner VP-internen Position interpretiert, sondern in eine VP-externe Domäne bewegt wird. Das bedeutet, das Morphem -ra ist ein syntaktisches Morphem auf Phrasenebene. / This thesis explores the variable behavior of bare nouns in Persian. Bare singular nouns realize different grammatical functions, including subject, object and indirect object. They receive different interpretations, including generic, definite and existential readings. However, the task of understanding the reasons for, and limits on, this variation cannot be achieved without understanding a number of pivotal features of Persian sentential architecture, including Information Structure, prosody, word order, and the functions of various morphological markers in Persian. With respect to the discourse transparency of Incorporated Nominals, under certain circumstances, Persian bare nouns show discourse transparency. These circumstances are examined in chapter 3, and it is proposed that bare nouns do introduce a number neutral discourse referent. This proposal is phrased within Discourse Representation Theory. In the second half of the dissertation, the interpretation of bare nouns in different positions and with different grammatical functions are discussed. Under the independently supported hypothesis of position>interpretation mapping developed by Diesing (1992), we will see the role of the suffix -ra in indicating that an object has been moved out of VP. For subjects, there is no morphological marking corresponding to –ra on objects, and we have to rely on prosody and word order to determine how a VP is interpreted using theories of the interaction of accent and syntactic structure. It is proposed that both subject and object originate within the VP, and can move out to the VP-external domain. The motivation for these movements are informational-structural in nature, relating in particular to the distinctions between given and new information, and default and non-default information structure.