Ectotherms are living creatures whose body temperature varies with the environment in which they live. Their physiology and metabolism have to rapidly respond to environmental changes in order to stay viable at across their tolerable thermal range (Lithgow et al. 1994). In nematodes such as Caenorhabditis elegans, temperature is an important factor that defines the fertility of the worm. A feature that delimits an ectotherm’s thermal range is the maximum temperature at which its germ line can produce gametes. How germ cells withstand high environmental stressors such as limiting temperatures is not well understood, especially when considering the thermodynamical principles that dominate the biochemical processes of the cytoplasm (Hyman and Brangwynne 2011). Previous studies in C. elegans have shown that the thermodynamic effects of temperature on the cell cycle rate in nematodes follows an Arrhenius relationship and defines the thermal range where worms can be fertile. At the limits of this relationship a breakdown of the Arrhenius trend is observed (Begasse et al. 2015a). It was hypothesized that some type of discontinuous phase transition occurred in the embryonic cells of C. elegans (Begasse et al 2015). However, it remains unknown if there is the physiological link between a drop off in fertility and the embryonic breakdown of the Arrhenius trend. This work finds the link between a temperature driven phase separation of P granules and fertility. P granules are important for germ line development and the fertility of C. elegans (Kawasaki et al. 1998b). Here it is shown that P granules mix with the cytoplasm upon a temperature quench of 27ºC to T=18ºC and de-mix from the cytoplasm forming droplets upon a temperature downshift of temperature from 18ºC to 27ºC. P granules also show a reversible behavior mixing and de-mixing with changes in temperature in vivo, having a strong dependence of these liquid-like compartments with entropy. These results were further confirmed using a minimally reconstituted, in vitro P granule system and showed that PGL-3, a constitutive component of P granules, can phase separate and form liquid compartments in a similar way as happens in vivo. Additionally, here it is shown that P granule phase separation does not require the chemical activity of other cytoplasmic factors to drive the phase separation of compartments in vivo and in vitro, instead their formation is strongly driven to mix and de-mix with changes in temperature. Furthermore, a binary phase diagram was constructed in order to compare the response of P granules in vivo and in vitro, showing that P granules form and function as a temperature driven liquid phaseseparation. Altogether, this indicates that P granules in vivo and PGL-3 liquid-like compartments in vitro, share the same temperature of mixing and de-mixing which coincides with the fertile temperature range over which Caenorhabditis elegans can reproduce. This suggests that P granule phase separation could define the thermal range of the worm.

Ectotherms are living creatures whose body temperature varies with the environment in which they live. Their physiology and metabolism have to rapidly respond to environmental changes in order to stay viable at across their tolerable thermal range (Lithgow et al. 1994). In nematodes such as Caenorhabditis elegans, temperature is an important factor that defines the fertility of the worm. A feature that delimits an ectotherm’s thermal range is the maximum temperature at which its germ line can produce gametes. How germ cells withstand high environmental stressors such as limiting temperatures is not well understood, especially when considering the thermodynamical principles that dominate the biochemical processes of the cytoplasm (Hyman and Brangwynne 2011). Previous studies in C. elegans have shown that the thermodynamic effects of temperature on the cell cycle rate in nematodes follows an Arrhenius relationship and defines the thermal range where worms can be fertile. At the limits of this relationship a breakdown of the Arrhenius trend is observed (Begasse et al. 2015a). It was hypothesized that some type of discontinuous phase transition occurred in the embryonic cells of C. elegans (Begasse et al 2015). However, it remains unknown if there is the physiological link between a drop off in fertility and the embryonic breakdown of the Arrhenius trend. This work finds the link between a temperature driven phase separation of P granules and fertility. P granules are important for germ line development and the fertility of C. elegans (Kawasaki et al. 1998b). Here it is shown that P granules mix with the cytoplasm upon a temperature quench of 27ºC to T=18ºC and de-mix from the cytoplasm forming droplets upon a temperature downshift of temperature from 18ºC to 27ºC. P granules also show a reversible behavior mixing and de-mixing with changes in temperature in vivo, having a strong dependence of these liquid-like compartments with entropy. These results were further confirmed using a minimally reconstituted, in vitro P granule system and showed that PGL-3, a constitutive component of P granules, can phase separate and form liquid compartments in a similar way as happens in vivo. Additionally, here it is shown that P granule phase separation does not require the chemical activity of other cytoplasmic factors to drive the phase separation of compartments in vivo and in vitro, instead their formation is strongly driven to mix and de-mix with changes in temperature. Furthermore, a binary phase diagram was constructed in order to compare the response of P granules in vivo and in vitro, showing that P granules form and function as a temperature driven liquid phaseseparation. Altogether, this indicates that P granules in vivo and PGL-3 liquid-like compartments in vitro, share the same temperature of mixing and de-mixing which coincides with the fertile temperature range over which Caenorhabditis elegans can reproduce. This suggests that P granule phase separation could define the thermal range of the worm.:Table of Contents 1. Abstract 2. Introduction 2 . 1 . CYTOPLASMIC ORGANIZAT ION 2 . 2 . CYTOPLASMIC PHASE SEPARATIONS 2 . 3 . P GRANULES RESEMBLE L IQUID- L IKE PROPERTI ES 2 . 4 . PHASE CHANGES AND THE CELL CYCLE 3. Aim 4. Methods 4 . 1 . STRAINS 4 . 2 . TEMPERATURE CONTROL 4.2.1. HEATING/COOLING SETUP DEVELOPMENT AND MICROSCOPE STAGE 4.2.2. CONFOCAL SAMPLE HOLDER AND HEATING/COOLING DEVICE 4.2.3. SAMPLE PREPARATION 4.2.4. TEMPERATURE OF THE MICROSCOPE OBJECTIVE 4 . 3 . IN VI VO ASSAYS 4 . 4 . IN VI TRO ASSAY 5. Results 5 . 1 . TEMPERATURE AND P GRANULE PHASE SEPARATION 5 . 2 . P GRANULES ARE TEMPERATURE SENSITIVE COMPARTMENTS 5 . 3 . P GRANULES MIX WITH THE CYTOPLASM AT 27ºC 5 . 4 . P GRANULES DO NOT NEED THE INFLUENCE OF PPTR- 1 TO FORM DROPLETS 5 . 5 . P GRANULES REVERSIBLY MIX AND DE-MIX IN VIVO 5 . 6 . PGL- 3 GRANULES PHASE SEPARATE IN V ITRO AT PHYSIOLOGICAL CONDITIONS 5 . 7 . P GRANULE PHASE SEPARATION IS REVERSIBLE IN VI VO AND IN VI TRO 5 . 8 . AN IN V ITRO PHASE DIAGRAM TO COMPARE THE THERMAL L IMITS OF P GRANULES IN V IVO 6. Discussion 6 . 1 . P GRANULES MIX AND DE-MIX IN A REVERSIBLE MANNER 6 . 2 . CONCENTRATION AND THE SPATIAL CONTROL OF P GRANULES 6 . 3 . THE ROLE OF OTHER CHEMICAL REGULATORS 6 . 4 . ECOLOGICAL RELEVANCE OF P GRANULE PHASE SEPARATION 7. Concluding Remarks 8. Bibliography

MINT steht für Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik. Dass MINT überhaupt nichts Trockenes sein muss und Männer wie Frauen begeistern kann, erzählen Studierende, die an den Hochschulen oder der Berufsakademie Sachsen studieren. Sie berichten, wie sie ihren MINT-Studiengang »gefunden« haben und wie sie ihr Studium meistern. Redaktionsschluss: 08.01.2021

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.

„Sketching the world“ bedeutet entwerfen von Welt mittels analogen und digitalen Zeichenmitteln - auch in Zukunft benötigt es dafür im Design Engineering der Künstlichen Intelligenz (KI) und der Emotionalen Intelligenz (EQ – nach Daniel Goleman). Zeichnen ist Kulturgut seit der Steinzeit und ist für die kulturelle Bildung als auch für das Design Engineering der Zukunft von großer Bedeutung. Zeichnen-Erfahrungen, sei es mit dem Stock im Sand oder mit dem Stift auf Papier, beginnt in der Primarbildung: Bereits hier ist es als Kulturtechnik essentiell für die Gesellschaft, indem der aktive Akt des Zeichnens Selbstausdruck und kulturelles Gedächtnis, Signifikat ist. Zeichnen ist individuelles und kollektives Wissens- und Bildungsmanagement für die Welt von morgen und muss in der Primabildung früh – multidisziplinär – verankert sein, soll es im Skizzieren, im Mapping, als Repräsentation und Projektion wirkungsvoll für das Design Engineering in Europa, auch in der Augmented Reality, eingesetzt werden.

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.