Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung. Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt. Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen. Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt. / Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.

Das Thema der vorgelegten Dissertation ist der quasi-isochrone Betrieb der Metrology Light Source zur Erzeugung kurzer Elektronenpakete mit der damit verbundenen Emission von kohärenter Sychrotronstrahlung. Die Metrology Light Source wurde schon in der Planungsphase auf den quasi-isochronen Betrieb ausgelegt. Es stehen Quadrupol-, Sextupol- und Oktupolmagnete zur Verfügung, um die drei führenden Ordnungen des sogenannten momentum compaction factors zu kontrollieren. Der Schwerpunkte der Arbeit ist nichtlineare, longitudinale Strahldynamik, insbesondere die sogenannten "alpha-buckets". Der Vergleich zwischen analytischen Ansätzen, numerischen Simulation und experimentellen Daten wird vorgestellt und diskutiert. Desweiteren wurde die Stromlimitierung durch die Bursting-Instabilität an der Metrology Light Source untersucht. Der Großteil der Messungen ist dabei an der Metrology Light Source durchgeführt worden mit komplementären Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II. / The subject of this thesis is the operation of an electron storage ring at a low momentum compaction to generate short electron bunches as a source for coherent synchrotron radiation. For this purpose the Metrology Light Source is ideally suited, as it is the first light source designed with the ability to adjust the three leading orders of the momentum compaction factor by quadrupole, sextupole and octupole magnets. Therefore, new opportunities to shape the longitudinal phase space arise. Focus will be put on beam dynamics dominated by nonlinear momentum compaction, in particular the generation of a new bucket type "alpha-buckets" and possible applications. Relation of analytical theory, numerical simulations and experimental data will be presented and discussed. In addition, the current limitation due to the bursting instability at the Metrology Light Source bunches will be investigated. The majority of measurements were conducted at the Metrology Light Source complemented by measurements at the BESSY II storage ring.

Für die ortsspezifische Düngung spielt die räumliche Erfassung von ertragsrelevanten Standorteigenschaften (z.B. Textur und Nährstoffnachlieferungsvermögen) eine große Rolle bei der Bemessung der Düngungsempfehlung. Durch die Berücksichtigung der schlaginternen Variabilität ist eine abgestufte standortangepasste Bewirtschaftung möglich. Auf fünf ackerbaulich genutzten Schlägen in verschiedenen Bodenregionen Deutschlands wurden räumliche und zeitliche Untersuchungen zur vertikalen und horizontalen Mineralstickstoffverteilung in Rasterform durchgeführt. Mit Hilfe des N-Modells HERMES wurden Simulationsrechnungen zur N-Dynamik durchgeführt und anhand des volumetrischen Wassergehalts, des Ertrags und des mineralischen Stickstoffgehalts überprüft. Als Referenz dienten die Daten aus der Rasterbeprobung. Die Vergleiche zwischen den simulierten und gemessenen Werten zeigen beim volumetrischen Wassergehalt, beim Ertrag und beim mineralischen Stickstoff auch über mehrere Vegetationsperioden hinweg eine gute Übereinstimmung bei den Mittelwerten, so dass man die Modellergebnisse auch für die N-Düngungsempfehlung herangezogen hat. Datensätze der Reichsbodenschätzung und der digitalen Hofbodenkarte wiesen im Gegensatz zur kleinräu­migen Rasterbeprobung keine ausreichende Genauigkeit bei den räumlichen Verteilungsmustern der ertragsrelevanten Standortgrößen auf und sind demnach nicht als Planungsgrundlage für die ortsspezifische Düngung geeignet. Über Szenariorechnungen lassen sich verschiedene Düngungsvarianten (wie einheitlich und ortsspezifisch gedüngte Variante) für identische Flächen direkt miteinander vergleichen. Die Ergebnisse zeigten beim Einsatz des preagro-N Moduls über drei Vegetationsperioden (2000 bis 2002) ein Einsparungspotential bei der ortsspezifischen Düngung von durchschnittlich 4 %, bei Verwendung der Modellempfehlungen (HERMES) sogar von durchschnittlich 18 % gegenüber der einheitlichen Variante ohne Ertragsdepressionen beführten zu müssen. / For the site-specific fertilization plays the spatial variability of soil parameters (such as texture) an important role for the calculation of fertilizer recommendation. In consideration of spatial variability is a gradual management in the field possible. The distribution of the vertical and horizontal soil mineral nitrogen patterns on five fields were investigated in different regions in Germany. Additionally these data were used for the validation of the nitrogen dynamics of the nitrogen crop growth model HERMES. The comparison between simulate and measurement data showed for the soil moisture, the grain yield and the mineral nitrogen over many vegetation periods good results by the average values. Under this situation is it possible to use simulation model for the nitrogen fertilizer recommendation. Simulations with data sets from the plot sampling (large scale soil map) compared against simulating using German Soil Appraisal or digital farm soil map data showed information losses. The temporal dynamic by soil mineral nitrogen content in the rooting zone and the spatial pattern by the grain yield show a much better agreement with observed values, if large scale data were used for the simulation. The results from the preagro-N model showed at site-specific part over three vegetation periods (2000 to 2002) an economize effect from average 4 % against the uniform fertilisation part. If we had used the fertilizer recommendation from the nitrogen crop growth model HERMES over the same time, the economize effect conducted average 18 % against the uniform fertilisation part without yield depression.

Der Tumorsuppressor p53 spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase und verhindert die Bildung und Entwicklung von Krebs. Frühere Studien auf Einzelzellebene haben gezeigt, der p53 nach dem Auftreten von DNS Schäden in einer Serie gleichförmiger Pulse im Kern akkumuliert. Um den Einfluss von Temperatur, dem Zustand des NFκB Weges oder dem Vorhandensein von Wachstumsfaktoren auf die p53 Dynamiken nach DNS-Schäden zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit A549 und MCF10A p53 Reporter-Zelllinien verwendet. Um Daten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung auf Einzelzellebene zu erhalten, wurde Zeitraffer-Fluoreszenzmikroskopie verwendet. Überraschenderweise zeigten A549 Zellen, die mit γ-Strahlung behandelt wurden, eine höhere p53 Akkumulation und ein verlängertes Zeitintervall zwischen den p53 Pulsen, wenn sie bei 30°C inkubiert wurden im Vergleich zu Zellen unter physiologischen Bedingungen. Hingegen zeigten Zellen bei 40°C eine höhere p53 Pulsfrequenz. Außerdem wurde die p53 Zielgen-Expression durch die Änderungen in der Dynamik beeinflusst. In den beiden Zelllinien, A549 und MCF10A, wurde die p53 Dynamik durch Inhibierung des NFκB Signalweges verändert, nicht aber durch dessen Aktivierung mittels TNF. So verlängert die Inhibierung des NFkB Signalweges das Zeitintervall zwischen p53 Pulsen, was sich auch in der Expression von p53 Zielgenen wiederspiegelt. Weiterhin konnte in MCF10A Zellen durch Experimente mit verschiedenen Medien-Bedingungen gezeigt werden, dass p53 Dynamiken vor allem durch die Anwesenheit von EGF und Hydrocortison geprägt werden. So führt EGF zu einem pulsierenden p53 Verhalten, während Hydrocortison alleine die p53 Antwort vollständig aufhebt.. Diese Studie macht deutlich, wie wichtig es ist, das Verhältnis von zellulärem Zustand und p53 Antwort systematisch zu untersuchen, um Krebstherapien wirksamer zu machen / The tumor suppressor p53 plays important roles in maintaining cellular homeostasis and in preventing the formation and development of cancer. Previous studies on p53 activation after DNA damage have reported that it shows a series of regular discrete pulses of protein accumulation over time at the single cell level. In this work A549 and MCF10A p53 reporters cell line were used to investigate how p53 dynamics after DNA damage were affected by changes in temperature, by changes in the state of the NFκB pathway and changes in the provided growth factors. Time-lapse florescent microscopy was used to obtain single cell data with high temporal and special resolution at the single cell level. Surprisingly A549 cells treated with γ-irradiation showed higher level of p53 accumulation and increased time between p53 pulses when imaged at 30°C than cells imaged under physiological conditions. Cells imaged at 40°C showed instead higher p53 pulse frequency. P53 target gene expression was also affected by these changes in dynamics. In both A549 and MCF10A cells, p53 dynamics were changed by NFκB pathways inhibition but not activation via TNFα. Upon inhibition of the NFκB pathway the timing between p53 pulses was increased leading to changes also in p53 target genes expression. In MCF10A cells experiments done under different medium conditions proved that p53 dynamic in this cell line was shaped mainly by the presence of EGF and hydrocortisone that are usual components of the media. EGF leads to a more pulsatile p53 behavior while hydrocortisone completely abrogates the p53 response. These discoveries pointed out the need to study more systematically the relationship between the p53 response to a given stress and the cellular state in order to make cancer therapies more effective.

Das visuelle System erreicht enorme Verarbeitungsmengen, wenn wir unsere Augen auf ein Objekt richten. Mehrere Prozesse sind aktiv bevor unser Blick das neue Objekt erreicht. Diese Arbeit erforscht die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften drei solcher Prozesse: 1. aufmerksamkeitsbedingte Steigerung der neuronalen Aktivität und sakkadische Suppression; 2. aufmerksamkeitsbasierte Auswahl des Zielreizes bei einer visuellen Suchaufgabe; 3. zeitliche Entwicklung der Detektiongenauigkeit bei der Objekt-Substitutionsmaskierung. Wir untersuchten diese Prozesse mit einer Kombination aus humaner Elektroenzephalografie (EEG), eye tracking und psychophysischen Verhaltensmessungen. Zuerst untersuchten wir, wie die neuronale Repräsentation eines Reizes von seiner zeitlichen Nähe zur Sakkade geprägt wird. Wir zeigten, dass direkt vor der Sakkade erscheinende Reize am meisten durch Aufmerksamkeit und Suppression geprägt sind. In Studie 2 wurde die Sichtbarkeit des Reizes mit der Objekt-Substitutionsmaskierung verringert, und wir analysierten das Verhältnis zwischen sakkadischen Reaktionszeiten und ihrer Genauigkeit. Dazu erfassten wir neuronale Marker der Aufmerksamkeitslenkung zum Zielreiz und eine subjektive Bewertung seiner Wahrnehmbarkeit. Wir stellten fest, dass schnelle Sakkaden der Maskierung entgingen und Genauigkeit sowie subjektive Wahrnehmbarkeit erhöhten. Dies zeigt, dass bereits in frühen Verarbeitungsstadien eine bewusste und korrekte Wahrnehmung des Reizes entstehen kann. Wir replizierten diesen Befund für manuelle Antworten, um eine Verfälschung der Ergebnisse durch sakkadenspezifische Prozesse auszuschließen. Neben ihrer theoretischen Bedeutung liefern diese Studien einen methodischen Beitrag zum Forschungsgebiet der EEG-Augenbewegung: Entfernung sakkadischer Artefakte aus dem EEG bzw. Erstellung eines künstlichen Vergleichsdatensatzes. Die Arbeit stellt mehrere Ansätze zur Untersuchung der Dynamik visueller Wahrnehmung sowie Lösungen für zukünftige Studien dar. / The visual system achieves a tremendous amount of processing as soon as we set eyes on a new object. Numerous processes are active already before eyes reach the object. This thesis explores the spatio-temporal properties of three such processes: attentional enhancement and saccadic suppression that accompany saccades to target; attentional selection of target in a visual search task; the timecourse of target detection accuracy under object-substitution masking. We monitored these events using a combination of human electrophysiology (EEG), eye tracking and behavioral psychophysics. We first studied how the neural representation of a visual stimulus is affected by its temporal proximity to saccade onset. We show that stimuli immediately preceding a saccade show strongest effects of attentional enhancement and saccadic suppression. Second, using object-substitution masking to reduce visibility, we analyzed the relationship between saccadic reaction times and response accuracy. We also collected subjective visibility ratings and observed neural markers of attentional selection, such as the negative, posterior-contralateral deflection at 200 ms (N2pc). We found that fast saccades escaped the effects of masking, resulted in higher response accuracy and higher awareness ratings. This indicates that early visual processing can trigger awareness and correct behavior. Finally, we replicated this finding with manual responses. Discovering a similar accuracy timecourse in a different modality ruled out saccade-specific mechanisms, such as saccadic suppression and retinal shift, as a potential confound. Next to their theoretical impact, all studies make a methodological contribution to EEG-eye movement research, such as removal of large-scale saccadic artifacts from EEG data and composition of matched surrogate data. In sum, this work uses multiple approaches to describe the dynamics of visual perisaccadic perception and offers solutions for future studies in this field.

In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates. <br><br> The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers. <br><br> In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed. / In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren. <br><br> Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden. <br><br> Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.

Das Verhalten adhärenter Zellen hängt stark von den chemischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab. Experimentelle Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass adhärente Zellen aktiv die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung erkunden, indem sie an dieser ziehen. Der resultierende Kraftaufbau hängt von den elastischen Eigenschaften der Umgebung ab und wird an den Adhäsionskontakten in entsprechende biochemische Signale umgewandelt, die zelluläre Programme wie Wachstum, Differenzierung, programmierten Zelltod und Zellbewegung mitbestimmen. Im Allgemeinen sind Kräfte wichtige Einflussgrößen in biologischen Systemen. Weitere Beispiele dafür sind Hör- und Tastsinn, Wundheilung sowie die rollende Adhäsion von weißen Blutkörperchen auf den Wänden der Blutgefäße. In der Habilitationsschrift von Ulrich Schwarz werden mehrere theoretische Projekte vorgestellt, die die Rolle von Kräften und Elastizität in der Zelladhäsion untersuchen.<br /> (1) Es wurde eine neue Methode entwickelt, um die Kräfte auszurechnen, die Zellen an den Kontaktpunkten auf mikro-strukturierte elastische Substrate ausüben. Das Hauptergebnis ist, dass Zell-Matrix-Kontakte als Mechanosensoren funktionieren, an denen interne Kräfte in Proteinaggregation umgewandelt werden.<br /> (2) Eine Ein-Schritt-Master-Gleichung, die die stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern als Funktion von Clustergröße, Rückbindungsrate und Kraft beschreibt, wurde sowohl analytisch als auch numerisch gelöst. Zudem wurde dieses Modell auf Zell-Matrix-Kontakte, dynamische Kraftspektroskopie sowie die rollende Adhäsion angewandt.<br /> (3) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie und mit Hilfe des Konzepts der Kraftdipole wurde ein Modell formuliert und gelöst, das die Positionierung und Orientierung von Zellen in weicher Umgebung vorhersagt. Diese Vorhersagen sind in guter Übereinstimmung mit zahlreichen experimentellen Beobachtungen für Fibroblasten auf elastischen Substraten und in Kollagen-Gelen. / The behaviour of an adhering cell is strongly influenced by the chemical, topographical and mechanical properties of the surface it attaches to. During recent years, it has been found experimentally that adhering cells actively sense the elastic properties of their environment by pulling on it through numerous sites of adhesion. The resulting build-up of force at sites of adhesion depends on the elastic properties of the environment and is converted into corresponding biochemical signals, which can trigger cellular programmes like growth, differentiation, apoptosis, and migration. In general, force is an important regulator of biological systems, for example in hearing and touch, in wound healing, and in rolling adhesion of leukocytes on vessel walls. In the habilitation thesis by Ulrich Schwarz, several theoretical projects are presented which address the role of forces and elasticity in cell adhesion.<br /> (1) A new method has been developed for calculating cellular forces exerted at sites of focal adhesion on micro-patterned elastic substrates. The main result is that cell-matrix contacts function as mechanosensors, converting internal force into protein aggregation.<br /> (2) A one-step master equation for the stochastic dynamics of adhesion clusters as a function of cluster size, rebinding rate and force has been solved both analytically and numerically. Moreover this model has been applied to the regulation of cell-matrix contacts, to dynamic force spectroscopy, and to rolling adhesion.<br /> (3) Using linear elasticity theory and the concept of force dipoles, a model has been introduced and solved which predicts the positioning and orientation of mechanically active cells in soft material, in good agreement with experimental observations for fibroblasts on elastic substrates and in collagen gels.

Die Fischfauna der Mongolei umfasst 64 Arten, von denen aktuell in der Roten Liste elf Arten als regional bedroht und vier Arten als potentiell bedroht eingestuft werden. Eine der wichtigsten Ursachen für den Rückgang der Arten ist der Gold-Tagebau. Viele Goldvorkommen lagern in alluvialen Sedimenten der Fließgewässerauen und werden durch großflächigen Abbau und mechanische Auswaschungsprozesse gewonnen. Dies führt zu erheblichen Störungen im Schwebstoff- und Stoffhaushalt der Fließgewässer und beeinflusst die Habitatverfügbarkeit und -qualität für die Fischfauna. Das primäre Ziel der Arbeit war daher die abiotische und ichthyologische Charakterisierung ausgewählter Referenzgewässer sowie durch Gold-Tagebau beeinflusster Gewässer und die Quantifizierung der Einflüsse des Gold-Tagebaus. Ein weiteres Ziel lag in der Formulierung von angepassten Managementstrategien für eine nachhaltige Entwicklung des expandierenden Bergbausektors in der Mongolei. Die Untersuchungen fanden in den Jahren 2003 bis 2006 an vier rhitralen Gewässern des Khentii-Gebirges im Nord-Osten der Mongolei statt. Die Erfassung der Fischbestände erfolgte mit Hilfe von Elektrofischfanganlagen und Reusen, wobei die vorkommenden Habitate repräsentativ erfasst wurden. Zusätzlich erfolgten Untersuchungen zum Stoffhaushalt der Gewässer und der Gewässersohle. Die relevanten Habitate wurden kartiert und Experimente zum Wanderverhalten ausgewählter Arten durchgeführt. Die Untersuchungen erbrachten folgende wesentliche Ergebnisse: 1. Die Fischfauna der untersuchten Gewässer umfasste 14 Taxa mit überwiegend rhitralen Charakterarten wie Salmoniden, Äschen und Elritzen. Die Fischbestände wiesen eine sehr hohe saisonale Dynamik auf, wobei kleinere Fließgewässer im Herbst verlassen und im Frühjahr neu besiedelt wurden. 2. Der Gold-Tagebau führte zu erhöhten Schwebstoffkonzentrationen und zur Kolmation des hyporheischen Interstitials. Die physikalisch-chemischen Untersuchungen ergaben vor allem eine signifikante Erhöhung der Wassertemperaturen in den belasteten Gewässerabschnitten. Durch den Gold-Tagebau wurden weiterhin die Auenvegetation und die natürlichen Uferstrukturen zerstört, was zu vielfältigen Habitatveränderungen führt. 3. Die untersuchten Effekte des Gold-Tagebaus sind als sublethal und verhaltens-verändernd einzustufen. Sie wirken sich z.B. auf das funktionale Gefüge der verschiedenen trophischen Ebenen des Fließgewässerökosystems aus. So wiesen zahlreiche Fischarten einen signifikant verringerten Konditionsfaktor auf, der offensichtlich bottom-up gesteuert durch verminderten Aufwuchs und geringere Abundanzen des Makrozoobenthos verursacht wird. Auch wurde ein deutlicher Einfluss auf die Fischwanderung festgestellt, der vermutlich durch ungünstige physikalisch-chemische oder hydraulische Habitateigenschaften innerhalb des Abbaugebiets verursacht wird. Für Arktische Äschen und Lenok ist das Abbaugebiet nicht oder nur eingeschränkt passierbar. 4. Die Kolmation des Kieslückensystems führte zum Verlust von Laich- und Überwinterungshabitaten und ist daher als ein gravierender Einflussfaktor für die lokale Fischfauna einzustufen. 5. Letale Effekte wie Kiemen- oder Schleimhautverletzungen auf Grund von direkter Schädigung der Tiere durch die erhöhten Schwebstofffrachten wurden nicht beobachtet. Im Rahmen der Arbeit wurden ökologische Grundlagenkenntnisse zu Fischbeständen und Populationsdynamiken im Nord-Osten der Mongolei erarbeitet. Diese Informationen tragen zu einem besseren Verständnis der Gefährdungsursachen bei. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse über die Ökologie der Arten und der Einflüsse des Gold-Tagebaus wurden Managementempfehlungen unterschiedlicher Priorität formuliert und an Hand eines Fallbeispiels exemplarisch bearbeitet. Darüber hinaus wurden Grundlagen für ein ökologisches Monitoring des Gold-Tagebaus entwickelt. / The fish fauna of Mongolia comprises 64 species of which eleven are regionally endangered and four potentially endangered according to the Red List of Mongolian Fish. Gold mining is regarded as one of the major causes for declining fish populations. Many gold deposits are found in the alluvial sediments of the floodplains and are extracted by large scale mining and mechanical elutriation. This heavily disturbs the balance of suspended sediments and matter in running waters and affects the habitat availability and quality for the fish fauna. Thus, the primary objective of this study was the abiotic and ichthyological characterization of selected reference waters and waters influenced by gold mining as well as the quantification of gold mining effects. Furthermore, an aim was the formulation of management strategies for a sustainable development of the expanding mining sector in Mongolia. The investigation took place from 2003 to 2006 at four rhitral waters of the Khentii Mountains in north-east Mongolia. Data acquisition of the fish fauna was carried out with electric fishing devices and fish traps on representative habitats. In addition, the balance of mater and characteristics of the hyporheic zone were analyzed, relevant habitats mapped and the migratory behavior of selected species experimentally studied. The following major results were obtained from this research: 1. The fish fauna of the examined waters comprised 14 taxa dominated by rhitral characteristic species like salmonids, arctic grayling and minnows. The fish population was strongly seasonally influenced, whereas small running waters being repopulated yearly in spring. 2. Gold mining brings about an increase in concentrations of suspended sediment and clogging of the hyporheic interstitial. Physical-chemical investigations primarily identified a significant rise in water temperatures in the polluted water sectors. Furthermore, gold mining degrades floodplain vegetation and natural bank structures causing varied habitat changes. 3. The examined gold mining effects are sublethal to fish or influence their behavior. They disrupt the functional arrangement of the different trophic levels of the river ecosystem. Thus, the condition of some fish species was significantly decreased, evidently regulated bottom-up by depleted periphyton and reduced abundances of macro invertebrates. Moreover, a strong influence on the river continuum was assessed. Arctic grayling and lenok did not migrate through the mining area, possibly due to unfavorable physical-chemical or hydraulic conditions within the mining site. 4. The clogging of the river bed substrate resulted in a loss of spawning and hibernation habitats and thus must be regarded as a major thread to the local fish fauna. 5. Lethal effects like injuries of gills or skin by direct lesions of suspended particles could not be observed. In this study basic ecological knowledge and population dynamics of the fish fauna in north-east Mongolia have been identified. This information is fundamental for a better understanding of the causes of endangerment. Based on the findings on the ecology of fish species and the influences of gold-mining management recommendations of different priority were developed and exemplified in a case study. Furthermore, this study worked out basic principles for an ecological monitoring of gold mining.

In this work, atomic scale investigation of pressure-induced transformations in the solid state have been carried out. A series of compounds including GaN, ZnO, CaF2, and AgI, in addition to elemental phosphorus have been studied. The corresponding transition mechanisms have been elucidated with a clear description of atomic displacements and intermediate structures involved therein. In the first group of compounds, the long standing debate on the transition path of the wurtzite(WZ)-to-rocksalt(RS) transition in semiconductors, GaN and ZnO was resolved using geometrical modeling combined with molecular dynamics (MD) simulations conducted in the frame of transition path sampling (TPS) method. In GaN, a two-step mechanism through a metastable intermediate phase with a tetragonal structure iT has been revealed from simulations. In ZnO, the tetragonal intermediate structure was kinetically less stable, although still part of the real transition mechanism. It appeared at the interface between WZ and RS as consequence of a layers shearing. The transition regime in ZnO was characterized by a competition between iT structure and another hexagonal intermediate with hexagonal symmetry iH. Although possible, the latter is not functional for the transition. In both cases, GaN and ZnO, two points of agreement with experiments have been revealed. The tilting of structures after transition, and the phonon mode softening associated with atomic displacements leading to the tetragonal structure iT In the second group of compounds, the investigation of transitions in superionic conductors, CaF2 and AgI, demonstrated a different and particular behavior of atomic motion under pressure. The solid-solid reconstruction of CaF2 structure was shown to be initiated and precedented by high disorder of the anionic sublattice. The percolation of fluoride ions through voids in the fluorite structure created a thin interface of liquid like state. The sparce regions caused by the departure of anions facilitates the cation sublattice reconstruction. In AgI, ion diffusion during the wurtzite/zincnlende(ZB)$rocksalt transition was more pronounced due to the extended stacking disorder WZ/ZB. The Ag+ ions profited not only from the structure of the interface but used the combination of interstitial voids offered by both phases, WZ and ZB, to achieve long diffusion paths and cause the cation sublattice to melt. Clearly, a proper account for such phenomena cannot be provided by geometry-designed mechanisms based on symmetry arguments. In phosphorus, the question of how the stereochemically active lone pairs are reorganized during the orthorhombic (PI) to trigonal (PV) structural transition was answered by means of simulations. Computation was performed at different levels theory. First, the mechanism of the transition was obtained from TPS MD simulations. MD runs were performed within density functional tight binding method (DFTB). The analysis of atomic displacements along the real transformation path indicated a fast bond switching mechanism. In a second step, the nature of the interplay between orbitals of phosphorus during the bond switching was investigated. A simultaneous deformation of lone pair and P−P bond showed a mutual switching of roles during the transformation. This interplay caused a low dimensional polymerization of phosphorus under pressure. The corresponding structure formed as zigzag linear chain of fourfold coordinated phosphorus atoms (· · ·(P(P2))n · · ·) at the interface between PI and PV phases. A further result of this work was the development of a simulation strategy to incorporate defects and chemical doping to structural transformations. On top of the transition path sampling iterations, a Monte Carlo like procedure is added to stepwise substitute atoms in the transforming system. Introducing a chemically different dopant to a pure system represents a perturbation to the energy landscape where the walk between different phases is performed. Therefore, any change in the transition regime reflects the kinetic preference of a given structural motif at times of phase formation. This method was applied to the elucidation of WZ-RS transition mechanism in the series of semiconducting compounds AlN, GaN, and InN. Simulations showed that In atoms adopt the same transformation mechanism as in GaN and favor it, while Al atoms demonstrated a significant reluctance to the path going through tetragonal intermediate iT. The difference between transition regime in mixed systems InxGa1−xN and AlxGa1−xN is in agreement with experiments on high pressure behavior of AlN, GaN, and InN. While transitions in GaN and InN are reversible down to ambient conditions, AlN is stable. The work presented in this thesis constitutes the seed of new perspectives in the understanding of pressure-induced phase transformations in the solid state, where the physics and the chemistry are brought together by means of computer simulations.

Ziel der Arbeit ist es, die instationären zeitlichen und räumlichen Bewegungsabläufe stark deformierbarer eindimensionaler Kontinua durch ein allgemeines mechanisch-mathematisches Modell unter Berücksichtigung ihrer Biege- und Torsionssteifigkeit zu beschreiben und zu dessen Lösung geeignete numerische Verfahren zu testen und auszuwählen. Die entwickelten Algorithmen werden auf Aufgabenstellungen aus der Raumfahrt-, Meeres- und Textiltechnik angewendet. / It is the aim of this thesis to describe the instationary motion of flexible one-dimensional continua by a general mechanical-mathematical model, when bending and torsional stiffness is not negligible, and to test and select appropriate numerical solution methods. The developed algorithms are used to solve problems from space, marine and textil engineering.