Die elektrische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf deren erregbarer Zellmembran. Üblicherweise wird angenommen, dass die in der Membran eingebetteten leitfähigen Ionenkanäle nicht auf direkte Art gekoppelt sind und dass die Kapazität des von der Membran gebildeten Kondensators konstant ist. Allerdings scheinen diese Annahmen nicht für alle Nervenzellen zu gelten. Im Gegenteil, verschiedene Ionenkanäle “kooperieren” und auch die Vorstellung von einer konstanten spezifischen Membrankapazität wurde kürzlich in Frage gestellt. Die Auswirkungen dieser Abweichungen auf die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen ist das Thema der folgenden kumulativen Dissertationsschrift. Im ersten Projekt wird gezeigt, auf welche Weise stark kooperative spannungsabhängige Ionenkanäle eine Form von zellulärem Kurzzeitspeicher für elektrische Aktivität bilden könnten. Solche kooperativen Kanäle treten in der Membran häufig in kleinen räumlich getrennte Clustern auf. Basierend auf einem mathematischen Modell wird nachgewiesen, dass solche Kanalcluster als eine bistabile Leitfähigkeit agieren. Die dadurch entstehende große Speicherkapazität eines Ensembles dieser Kanalcluster könnte von Nervenzellen für stufenloses persistentes Feuern genutzt werden -- ein Feuerverhalten von Nutzen für das Kurzzeichgedächtnis. Im zweiten Projekt wird ein neues Dynamic Clamp Protokoll entwickelt, der Capacitance Clamp, das erlaubt, Änderungen der Membrankapazität in biologischen Nervenzellen zu emulieren. Eine solche experimentelle Möglichkeit, um systematisch die Rolle der Kapazität zu untersuchen, gab es bisher nicht. Nach einer Reihe von Tests in Simulationen und Experimenten wurde die Technik mit Körnerzellen des *Gyrus dentatus* genutzt, um den Einfluss von Kapazität auf deren Feuerverhalten zu studieren. Die Kombination beider Projekte zeigt die Relevanz dieser oft vernachlässigten Facetten von neuronalen Membranen für die Signalverarbeitung in Nervenzellen. / Electrical signaling in neurons is shaped by their specialized excitable cell membranes. Commonly, it is assumed that the ion channels embedded in the membrane gate independently and that the electrical capacitance of neurons is constant. However, not all excitable membranes appear to adhere to these assumptions. On the contrary, ion channels are observed to gate cooperatively in several circumstances and also the notion of one fixed value for the specific membrane capacitance (per unit area) across neuronal membranes has been challenged recently. How these deviations from the original form of conductance-based neuron models affect their electrical properties has not been extensively explored and is the focus of this cumulative thesis. In the first project, strongly cooperative voltage-gated ion channels are proposed to provide a membrane potential-based mechanism for cellular short-term memory. Based on a mathematical model of cooperative gating, it is shown that coupled channels assembled into small clusters act as an ensemble of bistable conductances. The correspondingly large memory capacity of such an ensemble yields an alternative explanation for graded forms of cell-autonomous persistent firing – an observed firing mode implicated in working memory. In the second project, a novel dynamic clamp protocol -- the capacitance clamp -- is developed to artificially modify capacitance in biological neurons. Experimental means to systematically investigate capacitance, a basic parameter shared by all excitable cells, had previously been missing. The technique, thoroughly tested in simulations and experiments, is used to monitor how capacitance affects temporal integration and energetic costs of spiking in dentate gyrus granule cells. Combined, the projects identify computationally relevant consequences of these often neglected facets of neuronal membranes and extend the modeling and experimental techniques to further study them.

Die Anzahl der unterernährten Menschen in der Welt steigt seit 2017 wieder an. Der Klimawandel wird den Druck auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit weiter erhöhen, insbesondere für kleinbäuerliche und von Subsistenzwirtschaft geprägte Agrarsysteme in den Tropen. Um die Widerstandsfähigkeit der Ernährungssysteme und die Ernährungssicherheit zu stärken, bedarf es eines Klimarisikomanagements und Klimaanpassung. Dies kann sowohl die Antizipation als auch die Reaktion auf die Auswirkungen der globalen Erwärmung ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen in dieser Hinsicht landwirtschaftliche Modelle. Sie können die Reaktionen von Pflanzen auf Veränderungen in den Klimabedingungen quantifizieren und damit Risiken identifizieren. Diese Dissertation demonstriert anhand dreier in Peru, in Tansania und in Burkina Faso durchgeführten Fallstudien, wie statistische Ertragsmodelle das Klimarisikomanagement und die Anpassung in der tropischen Landwirtschaft unterstützen können. Während die erste Studie zeigt, wie Klimaanpassungsbestrebungen unterstützt werden können, werden in Studie zwei und drei statistische Modelle genutzt, um Ertrags- und Produktionsvorhersagen zu erstellen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, Frühwarnsysteme für Ernährungsunsicherheit zu unterstützen. In den drei Veröffentlichungen werden neue Ansätze statistischer Ertragsmodellierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung von bisherigen Ertragsvorhersagen, insbesondere in Bezug auf unabhängige Modellvalidierungen, eine stärkere Berücksichtigung von Wetterextremen und die Übertragbarkeit der Modelle auf andere Regionen. / The number of undernourished people in the world has been increasing since 2017. Climate change will further exacerbate pressure on agriculture and food security, particularly for smallholder and subsistence-based farming systems in the tropics. Anticipating and responding to global warming through climate risk management is needed to increase the resilience of food systems and food security. Crop models play an indispensable role in this regard. They allow quantifying crop responses to changes in climatic conditions and thus identify risks. This dissertation demonstrates how statistical crop modelling can inform climate risk management and adaptation in tropical agriculture in the case studies of Peru, Tanzania and Burkina Faso. While the first study shows how statistical crop models can support climate adaptation, studies two and three provide yield and production forecasts. The results can contribute to supporting early warning systems on food insecurity. The three publications present novel approaches of statistical yield modelling at different spatial scales. A particular focus is on further developing existing yield forecasts, especially with regard to independent rigorous model validations, improved consideration of weather extremes, and the transferability of the models to other regions.

Die korpuslinguistische Arbeit untersucht den Erwerb von Koselektionsbeschränkungen bei Lerner*innen des Deutschen als Fremdsprache in einem quasi-longitudinalen Forschungsdesign anhand des Kobalt-Korpus. Neben einigen statistischen Analysen wird vordergründig eine graphbasierte Analyse entwickelt, die auf der Graphmetrik Louvain-Modularität aufbaut. Diese wird für diverse Subkorpora nach verschiedenen Kriterien berechnet und mit Hilfe verschiedener Samplingtechniken umfassend intern validiert. Im Ergebnis zeigen sich eine Abhängigkeit der gemessenen Modularitätswerte vom Sprachstand der Teilnehmer*innen, eine höhere Modularität bei Muttersprachler*innen, niedrigere Modularitätswerte bei weißrussischen vs. chinesischen Lerner*innen sowie ein U-Kurven-förmiger Erwerbsverlauf bei weißrussischen, nicht aber chinesischen Lerner*innen. Unterschiede zwischen den Gruppen werden aus typologischer, kognitiver, diskursiv-kultureller und Registerperspektive diskutiert. Abschließend werden Vorschläge für den Einsatz von graphbasierten Modellierungen in kernlinguistischen Fragestellungen entwickelt. Zusätzlich werden theoretische Lücken in der gebrauchsbasierten Beschreibung von Koselektionsphänomenen (Phraseologie, Idiomatizität, Kollokation) aufgezeigt und ein multidimensionales funktionales Modell als Alternative vorgeschlagen. / The thesis located in corpus linguistics analyzes the acquisition of coselectional constraint in learners of German as a second language in a quasi-longitudinal design based on the Kobalt corpus. Supplemented by a number of statistical analyses, the thesis primarily develops a graph-based analysis making use of Louvain modularity. The graph metric is computed for a range of subcorpora chosen by various criteria. Extensive internal validation is performed through a number of sampling techniques. Results robustly indicate a dependency of modularity on language acquisition progress, higher modularity in L1 vs. L2, lower modularity in Belarusian vs. Chinese learners, and a u-shaped learning development in Belarusian, but not in Chinese learners. Group differences are discussed from a typological, cognitive, cultural and cultural discourse, and register perspective. Finally, future applications of graph-based modeling in core-linguistic research are outlined. In addition, some gaps in the theoretical discussion of coselection phenomena (phraseology, idiomaticity, collocation) in usage-based linguistics are discussed and a multidimensional and functional model is proposed as an alternative.

Kanalrhodopsine (ChRs), lichtgesteuerte Ionenkanäle, vermitteln phototaktische Reaktionen in beweglichen Algen und sind als optogenetische Werkzeuge zur Manipulation der Zellaktivität mittels Lichts weit verbreitet. Viele Kationen- und Anionen-leitende ChRs (CCRs und ACRs) wurden aus kultivierbaren Chlorophyten- und Cryptophytenarten identifiziert. Die meisten mikrobiellen Organismen kann jedoch nicht kultiviert werden, was zu einem unvollständigen Bild der ChR-Vielfalt führt. Die Metagenomik öffnet die Tür für Erkenntnisse über die Verteilung von ChRs in unkultivierten Organismen. Diese Arbeit beschreibt die biophysikalische Charakterisierung von zwei Gruppen metagenomisch identifizierter ChRs. Die MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) sind eine neue ChR-Familie und zeigen nahezu komplette Photostrom-Inaktivierung unter Dauerlicht. Die Photoströme lassen sich durch einen Photozyklus erklären, der zur Akkumulation eines langlebigen und nicht-leitenden Photointermediats führt. Ein konserviertes Cystein ist für dieses Phänomen entscheidend, da seine Substitution zu einer stark reduzierten Inaktivierung führt. Die Prasinophyten ChRs, die große carboxyterminale Domänen aufweisen, wurden in großen, marinen Viren identifiziert, die sie von ihren beweglichen und einzelligen Grünalgen-Wirten durch lateralen Gentransfer übernommen haben. Heterolog exprimiert, sind die viralen ChRs nur nach Ergänzung von Transportsequenzen und carboxyterminaler Kürzung funktional. Die Grünalgen- und viralen ChRs sind Anionen-leitend mit nicht-inaktivierenden Photoströmen, wenn sie in Säugetierzellen exprimiert werden, obwohl die viralen Vertreter weniger leitfähig und zytotoxisch sind. Nichtsdestotrotz repräsentiert diese ChR-Gruppe die ersten Grünalgen- und Virus-ACRs. Diese Arbeit zeigt eine breite Verteilung der ACRs unter marinen mikrobiellen Organismen und die Bedeutung der Funktionsmetagenomik bei der Entdeckung neuer ChRs. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels mediating phototactic responses in motile algae and widely used as optogenetic tools to manipulate cellular activity using light. Many cation- and anion-conducting ChRs (CCRs and ACRs) have been identified from culturable chlorophyte and cryptophyte species. However, most microbial organisms cannot be cultured, resulting in an incomplete view of the diversity of ChRs. Metagenomics opens the door to gather insights on the distribution of ChRs in uncultured organisms. Here, the biophysical characterization of two groups of metagenomically identified ChRs is described. The MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) represent a new ChR family with near-complete photocurrent desensitization under continuous illumination. The photocurrents can be explained by a single photocycle leading to the accumulation of a long-lived and non-conducting photointermediate. A conserved cysteine is critical for this phenomenon, as its substitution results in a strongly reduced desensitization. The prasinophyte ChRs, harboring large carboxy-terminal extensions, were identified in marine giant viruses that acquired them from their motile and unicellular green algal hosts via lateral gene transfer. Expressed in cell culture, the viral ChRs are only functional upon the addition of trafficking sequences and carboxy-terminal truncation. The green algal and viral ChRs are anion-conducting and display non-desensitizing photocurrents when expressed in mammalian cells, though the viral representatives are less conductive and cytotoxic. Nonetheless, this group of ChRs represents the first green algal and viral ACRs. This thesis highlights a broad distribution of ACRs among marine microbial organisms and the importance of functional metagenomics in discovering new ChRs.

Zahlreiche Hoffnungen sind mit einer auf Pflanzen basierenden Wirtschaft, einer Bioökonomie, verbunden. Ob deren Weiterentwicklung den Zustand der Umwelt und die Wohlfahrt eines Landes verbessern kann, bleibt jedoch fraglich. Sich im Aufbau befindliche Bioökonomie-Monitoring-Systeme haben die Aufgabe, Informationen über Zielkonflikte zu liefern und somit eine erkenntnisgestützte Politikgestaltung zu ermöglichen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Erkenntnisse für die Weiterentwicklung solcher Systeme zu gewinnen. Bisher entwickelte Bioökonomie-Indikatoren sind ungeeignet, den Übergang von einer fossil-basierten zu einer bio-basierten Wirtschaft korrekt abzubilden. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb entsprechende Indikatoren entwickelt und am Beispiel der Biokunststoffproduktion in Deutschland gemessen. Damit leiste ich einen Beitrag zur systematischen Indikatorenentwicklung, zur Charakterisierung einer bestimmten Bioökonomie-Transformation und zur quantitativen Modellierung der Indikatoren. Zukünftige Bioökonomie-Monitoring-Systeme könnten davon profitieren, wenn die Indikatorenentwicklung noch stärker als Prozess verstanden wird, der eine Auseinandersetzung mit den Zielen und deren Messbarkeit umfasst, sich so lange wiederholt bis zufriedenstellende Indikatoren verfügbar sind und die wichtigsten Akteure einbezieht. Zudem ist ein stärkerer Fokus auf nachhaltige Bioökonomie-Transformationen erforderlich, die sich an einem kreislauf- und suffizienzbasierten Wirtschaften orientieren und den Substitutionsbegriff weiter fassen als bisher. Das hier entwickelte Biokunststoff-Modell könnte in Monitoring-Systeme integriert werden, wenn es um Kohlenstoffflüsse und Post-Produktionsprozesse ergänzt wird. Forschungsbedarf besteht beim Aufbau eines auf gesellschaftliche Bedürfnisse fokussierten Monitoring-Systems und bei der Wirksamkeit von Monitoring-Systemen in der politischen Entscheidungsfindung. / The relationship between bioeconomy transitions and sustainable development is not straightforward. For policymakers it is often difficult to keep track of bioeconomy developments and formulate appropriate bioeconomy-related policies that are also conducive towards sustainable development. Consequently, bioeconomy monitoring systems have recently been initiated to provide more reliable sources of information. There is a clear mismatch between the vision of a transition from fossil-based to bio-based economies and available indicators. I aim here to enhance current bioeconomy monitoring systems by developing and applying a set of appropriate indicators and providing insight into three key issues: 1) how indicators can be systematically developed, 2) what dimensions of an economy need to receive attention while monitoring transition from a fossil-based to a bio-based one, and 3) what kinds of quantitative models are suitable for this purpose. This study shows that it is possible to quantify the bioeconomy transition and measure it with systematically developed indicators, applied to plastics substitution. I conclude that, 1) developing bioeconomy indicators should be a process that is goal-oriented, iterative, and inclusive, 2) bioeconomy transition indicators need to exhibit advancement in the circular use of biomass and in sufficient consumption behavior, and 3) the model developed here can be integrated into bioeconomy monitoring systems but requires advances regarding carbon flows and post-production processes. Developers of bioeconomy monitoring systems should develop new indicators through stronger involvement of carefully selected stakeholders. Policymakers need to participate more actively in designing such systems and provide greater and more stable funding. Research could explore sectoral strategies to reduce environmental impacts while fulfilling societal needs, design related indicator sets, and assess their relevance for political decision-making.

Negative Emissionen sind für die Zukunft unerlässlich, insbesondere um schwer vermeidbare CO₂-Quellen auszugleichen und die Dekarbonisierung zu unterstützen. Wälder spielen hierbei eine Schlüsselrolle, da sie eine vergleichsweise kostengünstige Möglichkeit bieten CO₂ aus der Atmosphäre zu filtern. Andere solche Technologien befinden sich noch in Entwicklung und lassen sich nicht in grossem Umfang einsetzen, während Aufforstung bereits in vielen Emissionszielen verankert ist. Wälder absorbieren auf natürliche Weise einen Viertel unserer jährlichen Emissionen. Doch die Ausweitung von Wäldern bringt sowohl Vorteile, wie den Schutz der Biodiversität, als auch Herausforderungen, wie lokale Klimaeffekte und Konkurrenz mit landwirtschaftlicher Produktion, mit sich. Weiter gibt es Bedenken hinsichtlich der Langlebigkeit des Kohlenstoffspeichers in Wäldern. Diese Dissertation untersucht die zusätzlichen Vorteile und Herausforderung welche Wälder in der Klimadiskussion mit sich bringen. Die Ergebnisse betonen die Bedeutung existierender tropischer Wälder für den Klimaschutz. Geeignete Gebiete für die Aufforstung sind begrenzt und äusserst heterogen verteilt. Ausserdem birgt ein zu starkes Vertrauen in die Aufforstung das Risiko, dass gebundener Kohlenstoff zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgestossen wird. Insgesamt sollte die Aufforstung nur zusammen mit umfassenden Emissionsreduktionen als sinnvoller Teil des Klimaschutzes betrachtet werden. / Negative emissions are vital for the future, primarily to offset hard-to-abate CO₂ sources and speed up decarbonization. Forests may play a pivotal role as they provide a cost-effective method to capture CO₂. While other negative emission technologies are in development and not yet ready to be deployed on large scales, reforestation has taken centre stage in many emission reduction strategies. Forests naturally absorb about a quarter of our annual emissions. But expanding forests brings both benefits, like supporting biodiversity, and challenges, such as affecting local climate and competing with agriculture. There are also concerns about the long-term viability of forests as carbon sinks, especially with threats from climate change and human activities leading to deforestation. This dissertation delves into the additional local and global benefits and challenges of forests used for climate change mitigation. Findings underscore the significance of existing tropical forests for climate mitigation. Further, suitable areas for reforestation are limited, and their climate benefit is heterogeneously distributed. In addition, the reliance on forest carbon carries risks, as the CO₂ stored could be released in the future. Overall, while reforestation has a role in mitigating climate change, it should be part of a broader strategy that includes drastic emission reductions.

Stickstoffdüngung und Bodenbewirtschaftung sind die Hauptquellen für Treibhausgase aus Anbausystemen. Dennoch sind diese Maßnahmen in Ackerbaubetrieben unerlässlich. In Anbetracht der Notwendigkeit, rasch Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, ist es notwendig Minderungspotentiale und Kosten in diesen Betrieben zu ermitteln und vergleichen. Es wurden Fallstudien in den USA, in Brasilien und in Deutschland durchgeführt, wobei jeweils eine Kultur in jeder Region untersucht wurde. Wissenschaftliche Literatur und Fokusgruppen mit lokalen Experten wurden genutzt, um realistische Ergebnisse zu generieren, die den lokalen Kontext abbilden. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Minderungsstrategien von dem betrachteten Zeithorizont abhängt, der sich aus der Kohlenstoffdynamik im Boden ergibt. Kurzfristig bieten Strategien, die die Kohlenstoffbindung fördern, ein größeres Minderungspotenzial, was jedoch langfristig nicht zutrifft. Kurzfristig wurden in Brasilien und den USA die geringsten Minderungskosten durch die Optimierung der Stickstoffdüngung erreicht. Diese Kosten sind negativ, was bedeutet, dass die Anwendung dieser Strategien, nicht nur ihre Emissionen, sondern auch ihre Kosten senken würden. Weitere kosteneffiziente Strategien waren die Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität und Zwischenfrüchte, die in allen Fällen mit vergleichbaren Minderungskosten durchführbar waren und die Kohlenstoffbindung fördern. Der Einsatz von Hemmstoffen schließlich, der in den USA und in Brasilien möglich war, hatte die höchsten Minderungskosten. Langfristig betrachtet stiegen die Minderungskosten von Strategien mit Kohlenstoffbindung an und waren ähnlich hoch oder höher als bei Strategien ohne Kohlenstoffbindung. Da in allen Fällen dieselbe Methodik angewandt wurde, sind die Ergebnisse vergleichbar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse zwar spezifisch für den Kontext, in dem sie berechnet wurden, sie liefern jedoch Erkenntnisse für ähnliche Regionen. / Nitrogen fertilization and soil management are the main sources of greenhouse gases from cropping systems. Yet these operations are essential on arable farms. Considering the need to take quick action against climate change, it is necessary to understand which mitigation potentials and cost can be attained in these farms and how they compare. Case studies in the USA, Brazil and in Germany were conducted, assessing one crop in each region. Scientific literature and focus groups with local experts were used to generate realistic results which depict the local context. This thesis identified that the economics of the mitigation strategies depended on the time horizon considered, which results from the carbon dynamics in the soil. In the short term, strategies promoting carbon sequestration offer a larger mitigation potential, yet this is not valid in the long term. In the short term, the lowest mitigation costs were attained by optimizing the nitrogen rate, feasible in the USA and Brazil. These costs are indicated to be negative, implying that adopting the strategy would not only lower emissions, but also reduce their costs. The next most cost efficient strategies were the reduction of the tillage intensity and cover crops, which were feasible in all cases with comparable mitigation costs and promote carbon sequestration. Lastly, the adoption of inhibitors, feasible in the USA and in Brazil, had among the highest mitigation costs. Assuming the long term, the mitigation costs of strategies with carbon sequestration increased, becoming similar to or higher than strategies without carbon sequestration. By applying the same methodology in each case, the results are comparable. Moreover, while the findings are specific to the context in which they were calculated, they provide insights for similar regions.

Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die gesellschaftliche Problematisierung des Größenstrukturwandels in der deutschen Landwirtschaft. Zuerst wird anhand einer strukturierenden Inhaltsanalyse von Positionspapieren zur Reform der Gemeinsamen Agrarpolitik herausgearbeitet, dass der Größenstrukturwandel sowohl als Gerechtigkeits- als auch als Multifunktionalitätsproblem gedeutet wird. Die Positionen überlappen im Prinzip der Leistungsgerechtigkeit und in dem Ziel, möglichst viele Betriebe zu erhalten. Viele der präsenten Annahmen über die Vorteile kleiner Betriebe lassen sich wissenschaftlich nicht bestätigen. Hinsichtlich sozialer Funktionen von Landwirtschaft wird eine Forschungslücke identifiziert. Es folgt eine systematische Literaturanalyse, die konzeptuelle Zugänge zu sozialen Funktionen von Landwirtschaft voneinander abgegrenzt und in einem Analyserahmen integriert. Dieser Analyserahmen berücksichtigt landwirtschaftliche Betriebe, die von ihnen ausgeübten Tätigkeiten sowie deren Wirkungen hinsichtlich sozialer Ziele (Funktionen). Aus der Literatur werden zudem elf verschiedene Typen sozialer Funktionen abgeleitet. Daran knüpft eine empirische Fallstudie an, die basierend auf umfangreichen qualitativen Daten soziale Funktionen von Landwirtschaft in Dithmarschen analysiert und Zusammenhänge mit dem regionalen Größenstrukturwandel exploriert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich der mit dem Größenstrukturwandel verbundene, zunehmend industrielle Charakter landwirtschaftlicher Tätigkeiten sowie die abnehmende Anzahl von Landwirt/innen in ehrenamtlichen Strukturen negativ auf soziale Funktionen auswirken. Einkommensdiversifizierung gewinnt im Kontext des Größenstrukturwandels an Bedeutung und stärkt soziale Funktionen, wobei kapital- und arbeitsintensiven Tätigkeiten unterschiedlich wirken. Die Dissertation ermöglicht eine sachlichere Debatte zum Größenstrukturwandel und eine differenzierte Auseinandersetzung mit sozialen Funktionen von Landwirtschaft. / This dissertations’ starting point is the societal problematisation of the changing farm size structure in Germany. In the first article, a structuring content analysis of position papers on the post-2020 reform of the Common Agricultural Policy shows that the shift towards fewer and larger farms is framed as a problem of both equity and multifunctionality. The respective positions overlap when it comes to the principle of performance equity and the goal of maintaining as many (small) farms as possible. Many of the claims made in the debate about benefits of small farms are not supported by empirical research, and a research gap is identified, particularly regarding social functions of agriculture. The second article presents a systematic literature review. Different conceptual approaches to the social functions of agriculture are distinguished and integrated into an analytical framework. This framework considers farms, the activities they carry out and the functions that can be fulfilled through these activities. In addition, eleven different types of social functions are derived from the literature reviewed. The third article builds up on the second and presents an empirical case study, which analyses the social functions of agriculture in Dithmarschen and explores how these relate to regional structural change on the basis of an extensive qualitative data set. The results indicate that both, the increasingly industrial character of agricultural activities associated with the change in farm size structure and the decreasing number of farmers in voluntary structures have a negative impact on social functions. Income diversification becomes more important in the context of farm exits and strengthens social functions, although the effects of capital-intensive and labour-intensive activities differ. Overall, this dissertation facilitates a more objective debate on structural change and a differentiated analysis of the social functions of agriculture.

In dieser Arbeit wurden die Morpho-Physiologie und das Verhalten zweier Arten Afrikanischer schwach elektrischer Fische, Marcusenius victoriae und Petrocephalus degeni, im Labor und in einem ihrer natürlichen Habitate im Lwamunda Sumpf in Uganda untersucht. Die zwei Hauptziele dieser Arbeit waren (i) tageszeitabhängige Verhaltensrhythmen (Aktivität, Habitatnutzung) im Labor und im Freiland zu untersuchen und (ii) die Ausprägung und Plastizität der morpho-physiologischen Merkmale von P. degeni zu untersuchen, die ihnen erlauben bei natürlich vorkommender, geringer Sauerstoffverfügbarkeit (Hypoxie) zu überleben. Tageszeitabhängige Verhaltensrhythmen beider Arten wurden im Labor über 42 Stunden und im natürlichen Habitat dieser Fische für sechs Tage erfasst. In den Laborversuchen verbrachten beide Arten tagsüber annähernd 100% der Zeit in einem bereitgestellten Versteck und schwammen nachts heraus um aktiv ihre Umwelt zu erkunden. Im Habitat wurden die meisten Fische in strukturell komplexen Habitaten unter schwimmenden Pflanzen detektiert. Nachts schwammen die Fische aktiv in die offenen und ungeschützten Bereiche der Lagune, vermutlich um nach Futter zu suchen und zu interagieren. Die Begleitende in-situ Messung der Sauerstoffverfügbarkeit zeigte, dass beide Arten präsent und vermutlich sogar am aktivsten waren während Phasen extremer nächtlicher Hypoxie. Zur Untersuchung der respiratorischen Merkmale von P. degeni wurden Respirometrieversuche mit hypoxie-akklimatisierten Tieren durchgeführt, Hämoglobin- und Laktatkonzentration im Blut gemessen, und morphologische Parameter an den ersten beiden Kiemenbögen erfasst. Die Fische zeigten niedrige Sauerstoffverbrauchsraten, welche sie bis zu einem sehr niedrigem äußeren Sauerstoffpartialdruck aufrechterhielten. Zusätzlich zeigten sie hohe Hämoglobin- und Laktatkonzentrationen im Blut. Bis zu 75 Tage Normoxie-Akklimatisierung führte zu reduzierter Hämoglobinkonzentration und kürzeren Kiemenfilamenten. / In this thesis, I investigated the morpho-physiology and behavior of two species of African mormyrid weakly electric fish, Marcusenius victoriae and Petrocephalus degeni, in the laboratory and in one of their natural habitats, the Lwamunda Swamp in Uganda. The two main objectives of this work were to (i) observe behavioral rhythms and habitat use patterns of both species under natural and laboratory conditions, and (ii) assess expression and plasticity of morpho-physiological traits that might enable P. degeni to survive naturally occurring low oxygen conditions (hypoxia). Behavioral rhythms were recorded in the laboratory over 42 hours and in the habitat on six sampling days. In the laboratory, both species spent close to 100% of the time in their shelter during the day and actively explore their environment at night. In the swamp lagoon, fish were most often encountered in structurally complex habitats under floating vegetation and ventured into open and unsheltered areas of the lagoon at night, presumably to forage and interact. Concomitant in-situ oxygen measurements revealed that these fish were present, and presumably most active during periods of extreme nocturnal hypoxia in their swamp habitat. To investigate respiratory traits of swamp-dwelling P. degeni, I conducted respirometry experiments and measured blood lactate and hemoglobin and gill morphometrics on the first two gill arches. Fish showed low routine oxygen consumption rates, which they maintained until a very low ambient oxygen partial pressure was reached. Additionally, they had high concentrations of hemoglobin and lactate in their blood. Up to 75 days of normoxia exposure reduced blood hemoglobin and gill filament length.

Land ist eine kritische Ressource für nachhaltige Entwicklung, doch ihre relative Knappheit erfordert Abwägungen, die für eine Gestaltung von nachhaltiger und gerechter Politik identifiziert werden müssen. Diese ist empirisch herausfordernd, da Landressourcen in verschiedenen abgelegenen lokalen Bedingungen genutzt werden und über voneinander abhängigen globalen Märkten gehandelt werden. Diese Dissertation trägt mit drei empirischen Studien zu dieser Identifizierungsbemühung bei. Das erste Kapitel hinterfragt das Potenzial von Preisanreizen zur Eindämmung der Entwaldung für Ölpalmplantagen in Indonesien. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass machbare marktbasierte Eingriffe in der vorgelagerten Palmöl-Lieferkette die nicht regulierte Entwaldung effektiv und gerecht reduzieren könnten, die ansonsten dem globalen Bedarf folgen würde. Das zweite Kapitel untersucht die Ausbreitungsmechanismen, durch die Schocks auf globalen Landressourcenmärkten indirekt zu Landnutzungsänderungen führen. Die Ergebnisse bestätigen einen globalen Verdrängungsmechanismus und etablieren einen kausalen Zusammenhang zwischen den Renewable Fuel Standards (RFS) in den Vereinigten Staaten und der Ausweitung bedeutender landwirtschaftlicher treibender Kräfte der Entwaldung in pan-tropischen Gebieten. Das dritte Kapitel erforscht die Auswirkungen der RFS auf internationale Unterernährung. Die Ergebnisse zeigen, dass der disruptive Effekt der Nachfrage-Schocks durch die RFS dank ihrer Vorhersehbarkeit abgemildert wird. Dennoch werden Bedenken bezüglich der Ernährungssicherheit in Ländern erhoben, in denen die Lebensmittelversorgung von Importen abhängt, insbesondere im Falle unerwarteter Schocks auf den globalen Märkten für Landressourcen. / Land is a critical resource for sustainable development, but its relative scarcity implies trade-offs that need to be identified to design sustainable and fair policy. This task is challenging empirically, because land resources are used in a variety of remote local conditions, and they are traded through interdependent global markets. This thesis contributes three empirical studies to this identification effort. The first chapter questions the potential of price incentives to mitigate deforestation for oil palm plantations in Indonesia. The results indicate that feasible market interventions upstream the palm oil supply chain could effectively and equitably mitigate unregulated deforestation otherwise left to follow global demand. The second chapter tests the propagation mechanisms through which shocks on global markets for land resources indirectly cause land use change. The results corroborate a global scale displacement mechanism specifically, and they establish a causal link between the Renewable Fuel Standards (RFS) in the United States and the expansion of major agricultural drivers of deforestation in pan-tropical areas. The third chapter explores the impact of the RFS on international undernourishment. The results indicate that the disruptive effect of the demand shocks by the RFS is mitigated by their predictability. Yet, this raises concerns about food security in countries where calorific supply depends on imports, in the case of unexpected shocks on global markets for land resources.