Forschungsgegenstand war ein neuentwickeltes modulares Kassettensystem mit Hedera helix 'Woerner', das im Folgenden als hydroponische Nutzwand bezeichnet wurde. Die Lebensqualität in Ballungsräumen sinkt aufgrund von steigender Verdichtung. Stadtgrün verbessert die Lebensqualität und sorgt für lokale Klima- und Luftverbesserung. Allerdings besteht ein Nutzungskonflikt mit anderen Bebauungsvorhaben. Hier verspricht der Einsatz der hydroponischen Nutzwand ein hohes Potential, da das wandgebundene Fassadenbegrünungssystem weitgehend bodenunabhängig ist. Es erfolgte eine Studie zur Quantifizierung des Leistungspotenzials. Neben einer detaillierten Beschreibung des Kassettensystems und der Versuchsanlage, die eine nach Norden und eine nach Süden exponierte Nutzwand darstellte, erfolgte die Erstellung einer Wasserbilanz und eines abgeleiteten Bewässerungsplanes. Im Substrat wurden Untersuchungen zum Sauerstoffgehalt durchgeführt. Ebenso war auch die Wirkung auf das Bestandsklima ein wesentliches Kriterium, um das Kassettensystem zu beschreiben. Für die Leistungsabschätzung wurden Wachstumsanalysen zur Beschreibung der Pflanzenproduktion durchgeführt. Für einige Kassettenelemente wurde dabei im Wurzelraum ein Pflanzenstärkungsmittel mit Bacillus subtilis angewendet, mit dem Ziel, eine Wachstumssteigerung zu erreichen. In einem Austrocknungsversuch im Gewächshaus wurde der Effekt verschiedener Konzentrationen des Pflanzenstärkungsmittels auf eine erhöhte Stresstoleranz von Hedera helix 'Woerner' untersucht. Der Wasserhaushalt stellte einen gesonderten Schwerpunkt dar, bei dem zwei Ansätze zur Bewässerungssteuerung verfolgt wurden. Es erfolgte eine Modellierung der Evapotranspiration über Daten aus meteorologischen Messungen und Messungen zur Transpiration der Pflanzen im Bestand. In einem zweiten Ansatz wurden die Möglichkeiten der pflanzenbasierten Sensorik untersucht, wofür ein elektronischer Blattdickensensor zum Einsatz kam. Die Erkenntnisse aus der Dissertation sollten zeigen, welche Praxistauglichkeit eine hydroponische Nutzwand besitzt und ob sie lokal in der Lage ist, dem Problem sinkender Lebensqualität im städtischen Raum entgegenzuwirken.

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Die vorliegende Dissertation behandelt die Ökologie von Cnidium dubium (Schkuhr) Thell. (Sumpf-Brenndolde), Gratiola officinalis L. (Gottes-Gnadenkraut) und Juncus atratus Krocker (Schwarze Binse), drei gefährdeten Arten, die als sogenannte Stromtalpflanzen in Mitteleuropa in ihrem Vorkommen eng an die Flussauen gebunden sind. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Simulationsexperimenten und Feldstudien in der Unteren Havelniederung, einem „Feuchtgebiet von internationaler Bedeutung“. Sie behandelt Themenkomplexe wie das Samenbankverhalten, die Samenkeimung, die Stickstofflimitierung, die Konkurrenzkraft, das Verhalten der Pflanzen nach einer Sommertrockenheit und nach einer Winter/Frühjahrsüberflutung. Ferner widmet sie sich der Populationsbiologie der Arten und dem Verhalten der Pflanzen nach besonderen Störungsereignissen wie Mahd, Herbivorie und der Sommerflut 2002. Der Leser erfährt, wie die Pflanzen in verschiedenen Lebensphasen auf die auentypische Umwelt reagieren und erhält umfassende Einblicke in physiologische Mechanismen, die der Anpassung an die typischen Bedingungen einer mitteleuropäischen Flussaue dienen. Eine Interpretation der Ergebnisse zeigt auf, welche der spezifischen Eigenschaften zur Gefährdung der drei Stromtalarten beitragen. Die Arbeit ist für den Arten-, Biotop- und Landschaftsschutz interessant. Darüber hinaus bietet sie zahlreiche Anknüpfungspunkte zur ökophysiologischen Grundlagenforschung. Die verstärkte Nutzung physiologischer Methoden bei der Klärung ökologischer Fragestellungen wird angeregt. / The thesis deals with the ecology of three endangered European river corridor angiosperms Cnidium dubium (Schkuhr) Thell., Gratiola officinalis L. und Juncus atratus Krocker. The study is based on different experimental approaches and field surveys in a wetland along the Lower Havel River, a designated German Ramsar-site (Wetland of International Importance). This involves the examination of aspects of seed bank dynamics, germination, nitrogen limitation, competitive ability, and the response of plants to summer drought and/or winter/spring flooding. The thesis continues with a detailed study of the population biology of the species at natural sites and the response of these plants to specific disturbances like mowing, herbivory and the severe summer flooding in 2002. The reader learns about the traits of the three plant species to tolerate the typical conditions their natural sites are exposed to in different phases of their life cycle. He gets a comprehensive look at physiological means by which plants can adapt to the prevailing conditions of European river lowlands. The interpretation of the results is used to reveal specific plant traits, which may contribute to the endangerment of the three river corridor plants. As such, this thesis is interesting for protection of species, biotopes and landscapes. Furthermore, it provides numerous close connections to fundamental research from an ecophysiological perspective. The increased use of physiological methods is recommended in order to be able to adequately resolve ecological problems.

During the development of multicellular organisms, organs grow to well-defined shapes and sizes. The proper size and patterning of tissues are ensured by signaling molecules as e.g. morphogens. Secreted from a restricted source, morphogens spread into the adjacent target tissue where they form a graded concentration profile. Upon binding of the morphogens to receptors on the cell surfaces, the morphogenetic signal is transduced inside the cell via the phosphorylation of transcription factors, which subsequently regulate the expression of different target genes. Thus, cell fates are determined by the local concentration of such morphogens. In this work, we investigate three key aspects of morphogenetic signaling processes in growing tissues. First, we study the mechanics of tissue growth via cell division and cell death. We examine the rearrangements of cells on large scales and times by developing a continuum theory which describes the growing tissue as an active complex fluid. In our description we include anisotropic stresses generated by oriented cell division, and we show that average cellular trajectories exhibit anisotropic scaling behaviors. Our description is used to study experimentally measured shape changes of the developing wing disk of the fruit fly Drosophila melanogaster. Second, we focus on the spreading of morphogens in growing tissues. We show that the flow field of cell movements due to oriented cell division and cell death causes a drift term in the morphogen transport equation, which captures the stretching and dilution of the concentration profile. Comparing our theoretical results to recent experiments in the Drosophila wing disk, we find that the transport of the morphogen Dpp is mainly intracellular. We moreover show that the decay length of the Dpp gradient increases during development as a result of changing degradation rate and diffusion coefficient, whereas the drift of molecules due to growth is negligible. Thus growth does not affect the decay length of the gradient, but the decay length of the gradient might affect the tissue growth rate as discussed in this work. Finally, we develop a microscopic theoretical description of the intracellular transduction machinery of morphogenetic signals within an individual cell. Our description captures the kinetics of the trafficking of proteins between different cellular compartments in response to receptor-bound signaling molecules. Analyzing experimental data at the Drosophila neuromuscular junction, we show that the morphogenetic signaling is modulated by synaptic signaling via neuronal action potentials.

Thema der vorgelegten Dissertation ist der Mechanismus der Keimbildung und des Wachstums von Platinclustern in Lösung und auf Biopolymeren nach der Reduktion von Platin-Salzen. Die Untersuchung wird auf atomarer Skala durch ab-initio Molekulardynamik mit der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. In einem klassischen, generell akzeptierten Mechanismus erfolgt die Aggregation von Pt-Atomen nur nach kompletter Reduktion der Pt(II)-Komplexen zum metallischen Pt(0)-Zustand. Im Gegensatz dazu, in der hier beobachteten Reaktionsablauf entstehen stabile Pt-Pt-Bindungen schon nach einem einzigen Reduktionsschritt. Darüber hinaus wird es gefunden, dass kleine Pt-Cluster durch Addition von unreduzierten PtCl2(H2O)2-Komplexen wachsen können. Das stimmt mit einem experimentell beocbachteten autokatalytischen Clusterwachstumsmechanismus überein. Es wird weiterhin gefunden, dass Pt(II)-Komplexe, die kovalent an DNA oder an Proteine gebunden sind, als sehr effiziente Nukleationszentren für das weitere Metallclusterwachstum wirken können. Das ist eine Konsequenz des starken Donor-Charakters der organischen Liganden, in derer Anwesenheit stärkere Metall-Metall-Bindungen als frei in der Lösung gebildet werden können. In der Tat, in Metallisierungsexperimenten können 5 Nanometer dünne, mehrere Mikrometer lange, regelmässige Clusterkette erzeugt werden, die rein heterogen auf das Biomolekulare Templat gewachsen sind. / In this thesis we investigate the molecular mechanisms of platinum cluster nucleation and growth in solution and on biopolymers by means of first-principles molecular dynamics. In contrast with a classical picture where clusters nucleate by aggregation of metallic Pt(0) atoms, we find that Pt--Pt bonds can form between dissolved Pt(II) complexes already after a single reduction step. Furthermore, we observe that small clusters grow by addition of unreduced PtCl2(H2O)2 complexes, consistently with an autocatalytic growth mechanism. Moreover Pt(II) ions covalently bound to biopolymers are found to act as preferred nucleation sites for the formation of clusters. This is a consequence of the strong donor character of the organic ligands which induce the formation of stronger metal-metal bonds than those obtained in solution. In fact, in metallization experiments we obtain a clean and purely heterogeneous metallization of single DNA molecules leading to thin and uniform Pt cluster chains extended over several microns.

In the presented study, dimorphic yeasts were applied as model organisms to study the growth of fungal mycelia. When environmental conditions are chosen appropriately, yeast colonies are built up of well separated individual cells. Thus, in contrast to fungal mycelia the translocation of nutrients and information within the colony can be neglected. The study focuses on the question of how the growth behaviour of a population of single cells is regulated, and which differences can be expected when nutrient translocation actually occurs. To answer this question, at first, an effective method for the highly resolved estimation of biomass distributions inside the colonies was developed. This method facilitates a dynamic non-invasive monitoring of colony development. Furthermore, mathematical models were established which describe the development of the colonies based on the behaviour of discrete individual cells. Growth simulations allow a quantitative prediction, and, thereby, an in silico testing of hypothetic regulatory mechanisms. The growth behaviour of yeast colonies was investigated applying the model organisms Candida boidinii and Yarrowia lipolytica. The yeasts were cultivated on solid agar substrates at various degrees of carbon and nitrogen limitation, respectively. The highest gain of understanding was achieved for the growth of both yeasts on glucose as the limiting carbon source: Investigations showed that mycelial yeast colonies adapt to declining nutrient concentrations by decreasing the cell density in their mycelium while the growth rate of the colony diameter remains constant. Under glucose limitation, the yeast C. boidinii grows diffusion-limited, i.e., the growth of the population is controlled by the amount of nutrient that diffuses towards the colony. The cessation of growth coincides with the depletion of the primary nutrient source glucose from the growth substrate. In contrast to these findings, it was shown that Y. lipolytica colonies continue to extend even after the complete consumption of glucose. In the absence of the primary nutrient source, the yeast assimilates biomass from the inner colony regions to facilitate the growth of the population. The suggested mechanism of coupled extension and decay processes was verified by a number of experiments. However, the mechanism which facilitates the transport of decay products to the growing colony boundary, i.e., the actual nature of the decay process, remains unclear. Mathematical simulations show that a continuous colony extension on the decay products of dying cells cannot be explained by the assumption that colonies are built up of uncoordinatedly growing single cells. Therefore, a hypothesis for the growth of Y. lipolytica colonies was derived which suggests that these populations are built up of tube-like hyphal cells. Accordingly, the measured drop of biomass density in the inner colony areas is the consequence of a cytoplasm transport towards the growing edge of the mycelium where it is assimilated as a secondary nutrient resource in the absence of glucose. It has to be emphasized that this hypothesis also provides a mechanistic explanation for the vacuolisation of hyphae in mycelia of higher fungi. / In der vorgestellten Arbeit wurden dimorphe Hefen als Modellorganismen für die Untersuchung des Wachstums von Pilzmyzelien eingesetzt. Bei geeigneter Wahl der Umgebungsbedingungen sind Hefekolonien aus Einzelzellen aufgebaut, wodurch im Gegensatz zu Myzelien höherer Pilze der Transport von Nährstoffen und Informationen innerhalb der Kolonie vernachlässigt werden kann. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Frage, wie das Wachstumsverhalten einer Population individueller Zellen reguliert ist, bzw. welche Unterschiede sich ergeben, wenn ein Nährstofftransport tatsächlich stattfindet. Um diese Fragestellungen bearbeiten zu können, wurde zunächst eine effektive Methode zur hoch ortsaufgelösten Bestimmung der Biomasseverteilung innerhalb der Kolonien entwickelt. Diese Methode ermöglicht ein dynamisches nichtinvasives Monitoring der Entwicklung einer Kolonie. Weiterhin wurden mathematische Modelle entwickelt, die das Wachstumsverhalteeiner Population auf der Grundlage des Verhaltens von diskreten Einzelzellen beschreibt. Die Wachstumssimulationen erlauben quantitative Vorhersagen und damit ein in silico Testen der Auswirkungen von hypothetischen Regulationsmechanismen. Das Wachstumsverhalten von Hefekolonien wurde anhand der Modellorganismen Candida boidinii und Yarrowia lipolytica untersucht. Die Hefen wurden auf festen Agar-Nährböden bei verschieden starker Kohlenstoff- und Stickstofflimitation kultviert. Der größte Erkenntnisgewinn wurde dabei für das Wachstum beider Hefen auf Glukose als limitierender Kohlenstoffquelle erzielt: Die Untersuchungen ergaben, dass myzelartig wachsende Hefekolonien bei sinkenden Nährstoffkonzentrationen eine geringere Zelldichte aber einen konstante Wachstumsgeschwindigkeit des Koloniedurchmessers aufweisen. Die Hefe C. boidinii wächst unter Glukoselimitation diffusionslimitiert, d.h. das Wachstum der Population wird durch die Menge der zur Kolonie diffundierenden Nährstoffe bestimmt. Der Abbruch des Koloniewachstums fällt mit dem Verbrauch der primären Nähstoffquelle Glukose zusammen. Im Gegensatz dazu konnte für das Wachstum von Y. lipolytica gezeigt werden, dass sich die Kolonien auch nach dem vollständigen Verbrauch von Glukose weiter ausdehnen. Im Abwesenheit der primären Nährstoffquelle nutzt die Hefe Zerfallsprodukte eigener Zellmasse aus dem Inneren der Kolonie als Nährstoff, um das weitere Wachstum der Population zu gewährleisten. Während der vorgeschlagene gekoppelte Ausdehnungs- und Zerfallprozess durch eine Reihe von Versuchen experimentell abgesichert wurde, bleibt der Mechanismus des Transports der Zerfallsprodukte zum Kolonierand, bzw. die eigentliche Natur des Zerfallsprozesses unklar. Simulationsrechnungen ergaben, dass eine kontinuierliche Ausdehnung der Kolonie auf Zellzerfallsprodukten sterbender Zellen nicht durch die Annahme erklärt werden kann, dass die Kolonien aus unkoordiniert wachsenden Einzelzellen aufgebaut sind. Aus diesem Grunde wurde für das Wachstum von Y. lipolytica die Hypothese abgeleitet, dass das Myzelium dieser Hefe aus schlauchartigen Hyphenzellen aufgebaut ist. Der gemessene Abfall der Biomassekonzentration im Kolonieinneren ist demnach die Konsequenz des Transports von Zytoplasma hin zum wachsenden Kolonierand, wo es in Abwesenheit von Glukose als sekundäre interne Nährstoffquelle assimiliert wird. Es ist zu beachten, dass diese Hypothese auch eine mechanistische Erklärung für die Ursachen der Vakuolisierung in Myzelien höherer filamentöser Pilze gibt.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung des Wachstumsverhaltens von Mikroorganismen auf Alkanen am Beispiel des Bodenbakteriums Rhodococcus opacus 1CP. Unter Einsatz kalorimetrischer Methoden konnte das Wachstumsverhalten von 1CP auf Glucose und Alkanen mit sehr guter Reproduzierbarkeit aufgezeichnet werden. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden Änderungen der Wachstumskinetik registriert, welche auf die Aggregation der Zellkultur zurückgeführt werden konnten. Die kalorimetrischen Befunde zum Aggregationsverhalten wurden mittels Gaschromatographie und Partikelgrößenbestimmung bestätigt. Durch Biotensidquantifizierung in kalorimetrisch aufgezeichneten Kultivierungen von 1CP auf Alkanen konnte eine wachstumsassoziierte Biotensidbildung nachgewiesen werden. Elementaranalytische Untersuchungen ergaben eine Variation der Biomassezusammensetzung von 1CP in Abhängigkeit der C-Quelle. Unter Berücksichtigung von Biomasse- und Biotensidbildung wurden Summenreaktionen für die Wachstumsprozesse formuliert und durch Verifikation mit kalorimetrisch ermittelten Enthalpien des Substratumsatzes bestätigt.

Die exponierten Sandstein-Felsriffe im Nationalpark Sächsische Schweiz stellen einen Waldgrenzstandort dar. Erkenntnisse über das Baumwachstum unter diesen nährstoffarmen und trockenen Bedingungen können dazu beitragen, die Reaktionen normaler Bestände auf mögliche Klimaveränderungen besser vorherzusagen. Für die vorliegende Arbeit erfolgte die Anlage von insgesamt zwölf Versuchsflächen in den zwei Teilgebieten des Nationalparks Sächsische Schweiz, auf denen das Wachstum der Kiefern und die zuwachsbeeinflussenden Faktoren untersucht wurden. Die Auswertung der entnommenen Bohrspäne zeigt, dass Kiefern auch bei äußerst geringen Zuwachsraten jahrelang überleben können. Es wurden vielfach schmale Jahrringe aus lediglich zwei bis drei Zellreihen sowie Einzelbäume mit bis zu 29 vollständig ausgefallenen Jahrringen gefunden. Die Analyse der Zusammenhänge von Radialzuwachs, Höhenzuwachs, Bestandesdaten, Konkurrenzindizes, Standort- und Witterungsparametern nimmt einen großen Teil der Arbeit ein und mündet in der Darstellung entsprechender Wuchsmodelle.

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