Mathematical modeling of biological systems is a powerful tool to systematically investigate the functions of biological processes and their relationship with the environment. To obtain accurate and biologically interpretable predictions, a modeling framework has to be devised whose assumptions best approximate the examined scenario and which copes with the trade-off of complexity of the underlying mathematical description: with attention to detail or high coverage. Correspondingly, the system can be examined in detail on a smaller scale or in a simplified manner on a larger scale. In this thesis, the role of photosynthesis and its related biochemical processes in the context of plant metabolism was dissected by employing modeling approaches ranging from kinetic to stoichiometric models. The Calvin-Benson cycle, as primary pathway of carbon fixation in C3 plants, is the initial step for producing starch and sucrose, necessary for plant growth. Based on an integrative analysis for model ranking applied on the largest compendium of (kinetic) models for the Calvin-Benson cycle, those suitable for development of metabolic engineering strategies were identified. Driven by the question why starch rather than sucrose is the predominant transitory carbon storage in higher plants, the metabolic costs for their synthesis were examined. The incorporation of the maintenance costs for the involved enzymes provided a model-based support for the preference of starch as transitory carbon storage, by only exploiting the stoichiometry of synthesis pathways. Many photosynthetic organisms have to cope with processes which compete with carbon fixation, such as photorespiration whose impact on plant metabolism is still controversial. A systematic model-oriented review provided a detailed assessment for the role of this pathway in inhibiting the rate of carbon fixation, bridging carbon and nitrogen metabolism, shaping the C1 metabolism, and influencing redox signal transduction. The demand of understanding photosynthesis in its metabolic context calls for the examination of the related processes of the primary carbon metabolism. To this end, the Arabidopsis core model was assembled via a bottom-up approach. This large-scale model can be used to simulate photoautotrophic biomass production, as an indicator for plant growth, under so-called optimal, carbon-limiting and nitrogen-limiting growth conditions. Finally, the introduced model was employed to investigate the effects of the environment, in particular, nitrogen, carbon and energy sources, on the metabolic behavior. This resulted in a purely stoichiometry-based explanation for the experimental evidence for preferred simultaneous acquisition of nitrogen in both forms, as nitrate and ammonium, for optimal growth in various plant species. The findings presented in this thesis provide new insights into plant system's behavior, further support existing opinions for which mounting experimental evidences arise, and posit novel hypotheses for further directed large-scale experiments. / Mathematische Modellierung biologischer Systeme eröffnet die Möglichkeit systematisch die Funktionsweise biologischer Prozesse und ihrer Wechselwirkungen mit der Umgebung zu untersuchen. Um präzise und biologisch relevante Vorhersagen treffen zu können, muss eine Modellierungsstrategie konzipiert werden, deren Annahmen das untersuchte Szenario bestmöglichst widerspiegelt und die dem Trade-off der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen Beschreibung gerecht wird: Detailtreue gegenüber Größe. Dementsprechend kann das System detailliert, in kleinerem Umfang oder in vereinfachter Darstellung im größeren Maßstab untersucht werden. In dieser Arbeit wird mittels verschiedener Modellierungsansätze, wie kinetischen und stöchiometrischen Modellen, die Rolle der Photosynthese und damit zusammenhängender biochemischer Prozesse im Rahmen des Pflanzenstoffwechsels analysiert. Der Calvin-Benson-Zyklus, als primärer Stoffwechselweg der Kohlenstofffixierung in C3-Pflanzen, ist der erste Schritt der Stärke- und Saccharoseproduktion, welche maßgeblich für das Wachstum von Pflanzen sind. Basierend auf einer integrativen Analyse zur Modellklassifizierung wurden aus der größten bekannten Sammlung von (kinetischen) Modellen des Calvin-Benson-Zyklus diejenigen ermittelt, die für die Entwicklung von Metabolic-Engineering-Strategien geeignet sind. Angeregt von der Fragestellung warum Kohlenstoff transitorisch vorwiegend in Form von Stärke anstatt Saccharose gespeichert wird, wurden die metabolischen Kosten beider Syntheseprozesse genauer betrachtet. Die Einbeziehung der Bereitstellungskosten der beteiligten Enzyme stützt die Tatsache, dass bevorzugt Stärke als temporärer Kohlenstoffspeicher dient. Die entprechende Untersuchung erfolgte einzig auf Grundlage der Stöchiometrie der Synthesewege. In vielen photosynthetisch-aktiven Organismen findet zudem Photorespiration statt, die der Kohlenstofffixierung entgegenwirkt. Die genaue Bedeutung der Photorespiration für den Pflanzenmetabolismus ist noch umstritten. Eine detaillierte Einschätzung der Rolle dieses Stoffwechselweges bezüglich der Inhibierung der Kohlenstofffixierungsrate, der Verknüpfung von Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus, der Ausprägung des C1-Stoffwechsels sowie die Einflussnahme auf die Signaltransduktion wurde in einer modell-basierten, kritischen Analyse vorgenommen. Um die Photosynthese in ihrem metabolischen Kontext verstehen zu können, ist die Betrachtung der angrenzenden Prozesse des primären Kohlenstoffmetabolismus unverzichtbar. Hierzu wurde in einem Bottom-up Ansatz das Arabidopsis core Modell entworfen, mittels dessen die Biomasseproduktion, als Indikator für Pflanzenwachtum, unter photoautotrophen Bedingungen simuliert werden kann. Neben sogenannten optimalen Wachstumsbedingungen kann dieses großangelegte Modell auch kohlenstoff- und stickstofflimitierende Umweltbedingungen simulieren. Abschließend wurde das vorgestellte Modell zur Untersuchung von Umwelteinflüssen auf das Stoffwechselverhalten herangezogen, im speziellen verschiedene Stickstoff-, Kohlenstoff- und Energiequellen. Diese auschließlich auf der Stöchiometrie basierende Analyse bietet eine Erklärung für die bevorzugte, gleichzeitige Aufnahme von Nitrat und Ammonium, wie sie in verschiedenen Spezies für optimales Wachstum experimentell beobachtet wurde. Die Resultate dieser Arbeit liefern neue Einsichten in das Verhalten von pflanzlichen Systemen, stützen existierende Ansichten, für die zunehmend experimentelle Hinweise vorhanden sind, und postulieren neue Hypothesen für weiterführende großangelegte Experimente.

A series of boron-containing conjugated microporous polymers with hierarchical porous structures have been readily prepared via typical transition metal-catalyzed coupling reactions. The distribution of micro- and mesopores in the networks as well as the specific surface areas are tunable via tailoring the structures of the building blocks. The distinct capability of the resulting Lewis acid-based neutral porous polymers to selectively capture fluoride ions provides a high-efficiency conversion into stable anionic porous polymers. For the first time, fluoride anion binding to boron atoms in a solid sample was essentially characterized by solid-state 11B MAS NMR spectroscopy, clearly revealing such an efficient conversion from a neutral network to a negatively charged one only through Lewis acid–base adduct formation. Upon a simple ion-exchange process, various heavy metal cations were facile to be loaded into the networks of the anionic porous polymers. Furthermore, the cobalt(II)-loaded porous polymers were shown to promote the stoichiometric homocoupling reactions of the different aryl Grignard regents, and exert distinct size selectivities for the homocoupling products, highly dependent on their porous structures. Such a successful loading strategy might be used for design and synthesis of new types of zeolite-like porous polymers with desirable catalytic properties for a certain organic transformation, as well as other functional materials.

Yb3+-Lasermedien glänzen mit hoher Effizienz und relativ geringer thermischer Last, besonders in Laseroszillatoren und -verstärkern mittlerer bis hoher Leistung. Modenkopplung von Yb3+-Lasersystemen ermöglicht Subpikosekunden-Pulse bei hoher mittlerer Ausgangsleistung. Diese Arbeit widmet sich zwei Gruppen der vielversprechendsten neuen Yb3+-aktivierten Laserkristalle: den strukturell analogen, monoklinen Doppelwolframaten Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW) und KYb(WO4)2 (KYbW) und den Yb3+-dotierten Sesquioxiden, vertreten durch Yb:Sc2O3 (Yb:Skandia). Die spektroskopischen Daten von KYbW, darunter eine extrem kurze 1/e-Absorptionslänge von 13 Mikrometern bei 981 nm, wurden im Rahmen der Dissertation vermessen. Die Lasereigenschaften niedrig Yb3+-dotierter Wolframate im Dauerstrich (cw)- und modengekoppelten Betrieb wurden in Lasern moderater Ausgangsleistung untersucht. Ultrakurzpuls-Erzeugung mit Yb:KYW, Yb:KGW und Yb:Glas wurde in einem passiv modengekoppelten Laser verglichen. Dabei wurde eine relativ hohe Lasereffizienz erreicht, Dank einer Trapezlaserdiode als Pumpquelle mit exzellenter Strahlqualität. Quasi-cw- und cw-Laserbetrieb von Yb3+ in hochdotierten und stöchiometrischen Wolframatkristallen wurden untersucht. Diese Materialien sind interessant für Mikrochip- und Scheibenlaser. Wichtige Fragestellungen waren die Kristallqualität und die Hitzeentwicklung bei hohen Yb3+-Konzentrationen. Erstmals wurde Lasertätigkeit von Wolframaten mit Yb3+-Konzentrationen >>20% und schließlich, mit KYbW, cw-Laserbetrieb eines stöchiometrischen Yb-Lasermaterials demonstriert. Weiterhin wurde mit KYbW der kleinste bisher für einen Laserkristall gemessene Laserquantendefekt erzielt, 1,6%. Unter Benutzung eines Yb:Sc2O3-Lasermediums wurde erstmals modengekoppelter Betrieb eines Oszillators mit Sequioxid-Laserkristall gezeigt. Betrieb mit nichtsolitonen- und solitonenartiger Pulsformung sowie mit Ti:Saphir-Laser oder Trapezlaserdiode als Pumplaser wurden untersucht. Mit einem Ti:Saphir-gepumpten Yb:Skandia-Laser wurde eine Konversionseffizienz von 47 % bezogen auf die absorbierte Pumpleistung erreicht, der bisher höchste Wert für einen modengekoppelten Yb3+-basierten Laser. / Yb3+ laser media excel with high efficiency and relatively low heat load, especially in medium to high power laser oscillators and amplifiers. Mode-locking of Yb3+ laser systems can provide subpicosecond pulse durations at high average power. This work deals with two groups of the most promising novel Yb3+-activated laser crystals: Yb3+-activated monoclinic double tungstates, namely the isostructural crystals Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW), and KYb(WO4)2 (KYbW), and Yb3+-doped sesquioxides, represented by Yb:Sc2O3 (Yb:scandia). Spectroscopic data of KYbW were investigated as part of this thesis, finding an extremely short 1/e-absorption length of 13 micrometers at 981 nm. Continuous-wave (cw) and mode-locked laser performance of moderate-average-power lasers based on lowly Yb3+-doped tungstates were examined. Ultrashort pulse generation with Yb:KYW, Yb:KGW, and Yb:glass was compared in a passively mode-locked laser. A relatively high mode-locked laser efficiency was achieved due to a tapered diode pump laser with excellent beam quality. Quasi-cw and cw lasing of Yb3+ in highly doped and stoichiometric tungstate crystals were investigated. These materials are interesting for microchip and thin-disk lasers. Important issues were crystal quality and heat generation at high Yb3+ concentrations. For the first time, laser operation of tungstates with a Yb3+ concentration >>20% and finally, with KYbW, cw lasing of a stoichiometric Yb laser material was achieved. Furthermore, with KYbW, the smallest laser quantum defect ever for a laser crystal was demonstrated, 1.6%. Using a Yb:Sc2O3 laser medium, for the first time mode locking of an oscillator using a sesquioxide laser crystal was realized. Laser regimes with non-solitonlike and solitonlike pulse shaping were investigated, using a Ti:Sapphire laser and a tapered laser diode as pump sources. With a Ti:Sapphire-laser-pumped Yb:scandia laser the highest conversion efficiency with respect to absorbed pump power for any mode-locked Yb3+-based laser was achieved, 47%.

A series of boron-containing conjugated microporous polymers with hierarchical porous structures have been readily prepared via typical transition metal-catalyzed coupling reactions. The distribution of micro- and mesopores in the networks as well as the specific surface areas are tunable via tailoring the structures of the building blocks. The distinct capability of the resulting Lewis acid-based neutral porous polymers to selectively capture fluoride ions provides a high-efficiency conversion into stable anionic porous polymers. For the first time, fluoride anion binding to boron atoms in a solid sample was essentially characterized by solid-state 11B MAS NMR spectroscopy, clearly revealing such an efficient conversion from a neutral network to a negatively charged one only through Lewis acid–base adduct formation. Upon a simple ion-exchange process, various heavy metal cations were facile to be loaded into the networks of the anionic porous polymers. Furthermore, the cobalt(II)-loaded porous polymers were shown to promote the stoichiometric homocoupling reactions of the different aryl Grignard regents, and exert distinct size selectivities for the homocoupling products, highly dependent on their porous structures. Such a successful loading strategy might be used for design and synthesis of new types of zeolite-like porous polymers with desirable catalytic properties for a certain organic transformation, as well as other functional materials.