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Modellierung der Ressourcennutzung in terrestrischen Habitaten. Rekonstruktion des Nahrungsspektrums neogener und pleistozäner Huftiergesellschaften

Die Kenntnis rezenter Lebensräume wird genutzt, um Modelle zur Rekonstruktion neogener und pleistozäner Habitate zu entwickeln. Es wird erwartet, dass die Nahrungsspezifität von Huftieren wichtige Hinweise liefert auf die Habitate der untersuchten Faunen. Evolutionstrends lassen sich dann mit Veränderungen im Habitat korrelieren.

Bestimmung einer Retracking-Fläche innerhalb eines Radargrammstapels zur Verbesserung von Satellitenaltimetrie über Küstenmeeren und Binnengewässern

Das sogenannte Retracking von Einzelwellenformen in der Satellitenaltimetrie über Küstenzonen und Binnengewässern hat seine Grenzen erreicht und bietet im Durchschnitt eine Genauigkeit im Dezimeterbereich. Durch die Analyse von Variationen der Rückstreuleistung entlang der Bin-Koordinate suchen die vorhandenen Retracking-Methoden nach einem Retracker-Offset in der Wellenform. Dies führt zu einer starken Abhängigkeit des Retrackingverfahrens von Messrauschen. Mit dem Start der operativen Sentinel-3-Serie sind wesentlich robustere Algorithmen erforderlich, um hochpräzise Wasserstandsschätzungen über Binnen- und Küstengewässern zu erhalten. Daher ist das Hauptziel dieses Forschungsprojekts, einen solchen robusten Algorithmus zu entwickeln und damit die altimetrische Wasserstandsbestimmung über Binnengewässern und Küstenregionen zu verbessern. Um ein robustes Wellenform-Retracker zu erhalten, ist es unser Ziel, das einen Stapel von benachbarten Wellenform erzeugen (das sogenannte Radargram) und schließlich einen Stapel von Radargrammen in der Zeit zu verwenden, den sogenannten Radargrammstapel, für den wir der raum-zeitlichen Variation der zurückgestreuten Leistung profitieren. Der Radargrammstapel erleichtert die Erkennung von Mustern wie Retracking-Gate, Off-Nadir-Muster (z.B. Parabel), oder Küstenlinien. Anstelle eines Retracking-Gates, als Punkt in einer einzelnen Wellenform, kann in einem Radargrammstapel eine Oberfläche, die sogenannte Retracker-Fläche/Mannigfaltigkeit, bestimmt werden. In diesem Forschungsprojekt wird zunächst die raumzeitliche Entwicklung von Satellitenaltimeterbeobachtungen über Wasserobjekten analysiert und werden Muster in Radargrammstapeln charakterisiert. Um ein Retracker-Fläche und die zugehörige Unsicherheit zu definieren, wird anschließend ein Conditional Random Fields (CRF)-Modell entwickelt. Das CRF-Modell profitiert von bedingten Modellen in den Querschnitten Bin-Raum, Bin-Zeit und Raum-Zeit. Anschließend wird eine maximale a-posteriori-Lösung gefunden, die die Retracking- Fläche ergibt. Zu diesem Zweck wird das Problem als Minimierung einer Energiefunktion formuliert, für die die Leistung verschiedener Klassen von Optimierungstechniken untersucht wird. Schließlich werden Wasserstandszeitreihen mit In-situ-Daten validiert und mit der Leistung bestehender Retrackers verglichen. Im Rahmen dieser Studie werden die Altimetrie-Daten aus den drei Missionen Jason-2&3 und Sentinel 3 verwendet. Zur Validierung werden mehrere Fallstudien ausgewählt. Die Idee des Wellenform-Retracking durch Analyse des raumzeitlichen Verhaltens in einer 3D-Datenstruktur wird in diesem Vorschlag zum ersten Mal formuliert und wurde in der Altimetrieforschung bisher nicht berücksichtigt. Dies eröffnet neue Wege für eine wesentlich genauere Abschätzung des Wasserspiegels für operative Missionen und für künftige Missionen über Binnen- und Küstengewässern.

Zum Verständnis der Entstehung und Trajektorien von großem Hagel (LIFT)

Derzeitige radar-basierte Nowcastingverfahren basieren auf der Annahme, dass die zeitliche Entwicklung von Hagelereignissen in erster Linie durch Advektionsvorgänge gesteuert ist; die relevanten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und das Größenwachstum von Hagel entscheidend sind, bleiben dabei unberücksichtigt. In Verbindung mit der komplexen internen Struktur und Dynamik von Hagelstürmen ergeben sich daraus große Unsicherheiten bei der Vorhersage der Hagelgrößenverteilung und der von Hagel betroffenen Fläche am Boden. Das Ziel des Projekts LIFT (Large Hail Formation and Trajectories) ist es, die Hagelentstehung und Hageltrajektorien besser zu verstehen, um daraus als wichtige Komponenten eines physikalisch-basierten Nowcastings erstmals ein radar-basiertes Verfahren für das Hagelwachstums zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird im Rahmen von LIFT eine Messkampagne Süddeutschland durchgeführt, wo die größte Hagelwahrscheinlichkeit in Deutschland auf vielfältige Beobachtungssysteme trifft, die im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES mit einem dichten Netzwerk betrieben werden. Zum ersten Mal werden im Rahmen von LIFT moderne Radargeräte, In-situ Messgeräte, Fotogrammetrie und numerische Modellierung synergistisch kombiniert und ein umfassender Datensatz zur Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Hagelwachstums erstellt. Betroffene Bürger werden aktiv in die Messaktivitäten mit einbezogen und aufgerufen, Hagelkörnern einschließlich ihrer Haupteigenschaften in die WarnWetter App des DWD zu melden. Die Messkampagne mit ihrem mobilen und flexiblen Konzept beinhaltet die Anwendung neuer, innovativer Messtechniken, darunter Lagrangesche Trajektorien mittels kleiner Messsysteme, die in die Wolken eingebracht werden, und dronengesteuerte Luftbildaufnahmen zur Bestimmung der Hagelspektren. Aus Fernerkundungsdaten gewonnene Signaturen von Hagelereignissen liefern Informationen über die Charakteristika der Hagelereignisse und werden mittels numerischer Simulationen sorgfältig auf Messungenauigkeiten und Sensitivitäten bzgl. atmosphärischer Umgebungsvariablen evaluiert. Indikatoren für die Hagelentstehung und das Hagelwachstum werden aus Beobachtungsdaten und Simulationen identifiziert, und liefern die Grundlage für ein beobachtungs-basiertes Hagelwachstumsmodell. Schließlich wird dieses Multi-Parameter Hagelwachstumsmodell mit den bestimmten Hageltrajektorien und Schmelzprozessen kombiniert, um zu bestimmen, welche Prozesse am wichtigsten sind für das Nowcasting von Hagel. Das Projekt LIFT liefert damit einen wichtigen Betrag für zukünftige radar-basierte Hagelwarnsysteme mit einer verbesserten Vorhersagezeit und Vorhersagequalität.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Adaptation Früher Hominini im Südlichen Teil des Ostafrikanischen Grabens

Nach über 150 Jahren umfangreicher Forschung zur Evolution früher Hominini und ihrer Umweltanpassungen sind immer noch grundlegende Fragen der Stammesgeschichte unserer Vorfahren offen. So sind die Ernährungsweisen früher (größer als 2.0 Ma) Homo sp. und Paranthropus boisei und deren Entwicklung sowie ihre Adaption an ökologische und klimatische Bedingungen noch nicht geklärt. Dies ist auf die extrem seltenen älter als 2 Ma datierten Fossilfunde von Homo und P. boisei zurückzuführen. Des Weiteren ist wenig über die Paläoökologie von Hominini-Fundstellen im Süden des Ostafrikanischen Grabens (EAR), nahe des Überganges von großen Grass- zu Baumsavannen bekannt. In Ostafrika beschränken sich Rekonstruktionen der Ernährungsweisen von Homo und Paranthropus boisei auf Fossilien aus dem östlichen Ast des EAR. Isotopendaten deuten im Turkana Becken vor ca. 2 Ma auf zwei Gruppen mit deutlichen Unterschieden in ihrer Nahrungsaufnahme: P. boisei ernährte sich vorwiegend von C4-Biomasse, während Homo vermehrt C3-Ressourcen konsumierte. Die Paläoökologie dieser Region war durch gleichbleibend heiße Temperaturen mit einer Entwicklung zunehmend offener C4-Grasslandschaften, der heutigen Somali-Masai Savanne, geprägt. Im Gegensatz zu den gut untersuchten Bereichen in Kenia, werden im Rahmen dieses Projekts zwei Hominini-Fundstellen im wenig untersuchten südlichen Teil des EAR analysiert: (1) die Plio-Pleistozänen Chiwondo/Chitimwe Sedimente (Karonga Becken, N Malawi), welche Fossilien von H. rudolfensis und P. boisei (ca. 2.4 Ma) führen, und damit die einzige Hominini-Lokalität in der heutigen bewaldeten Sambesischen Savanne sind, und (2) die Pleistozänen mit H. erectus (ca. 0.7 Ma) assoziierten Manyara Ablagerungen (Manyara Becken, N Tansania) knapp nördlich des Übergangs zur heutigen C4-dominierten Somali-Masai Grasssavanne,.Das Projekt profitiert von exzellenten, auf Geochemie spezialisierten Einrichtungen, um die Adaption früher Hominini zu untersuchen: innovative Methoden der Clumped Isotope Geochemie und U-Pb-Datierung werden ebenso angewandt wie etablierte d13C, d18O und dD Isotopenmessungen. Besonders hervorzuheben sind auch die zur Verfügung stehenden Proxys: die Senckenberg-Sammlungen, die auch einen der ältesten Funde der Gattung Homo bereitstellen, ICDP Bohrkerne vom Lake Malawi, und im Verlauf des Projektes neu gewonnene Proben. Das Projekt beinhaltet drei Arbeitspakete: I) Ernährung von H. rudolfensis und P. boisei, II) Plio-Pleistozäne Paläotemperaturen des südostafrikanischen Savannen-Ökosystems und III) Plio-Pleistozäne Paläovegetation der Manyara Sedimente. Die Ergebnisse ermöglichen einen umfassenden und innovativen Vergleich von Paläotemperaturen, Ökosystem-Strukturen und früher Hominini-Ernährung über eine Baum- und Grasslandsavannengrenze in Südostafrika hinweg. Der notwenige geochronologische Rahmen wird durch U-Pb-Datierungen geschaffen; dies werden die ersten absoluten Alter für die bisher nur grob datierten Karonga Becken Sedimente sein

Untersuchungen zur Biogeographie und Speziation andiner Kolibris (Aves: Trochilidae)

Mit gegenwärtig 328 Arten stellt die Familie der Kolibris ein bedeutendes Faunenelement der Neotropis dar. Die äquatorialen Regionen, insbesondere der Andenraum, bilden das zoogeographische Zentrum des Taxons. Als Nahrungsspezialisten (Nektarivorie) konnten sich die Trochiliden eine bedeutende ökologische Nische in fast allen terrestrischen Lebensräumen erschließen. Ihre homogene großräumige Verbreitung begünstigt die Dokumentation und Analyse der Biogeographie, der Ausbreitungs- und Speziationsgeschichte sowie der geographischen Variation. Auf der Grundlage rezenter Verbreitungsmuster und apomorpher Merkmale sollen intragenerische phylogenetische Zusammenhänge andiner Taxa rekonstruiert werden. Zur Beurteilung topographischer Strukturen auf den Genfluss zwischen benachbarten Subpopulationen wird anhand kleinräumiger geographischer Pools die Variation morphologischer Parameter analysiert. Hierfür werden Belegexemplare in nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen untersucht. Zur Erklärung allo- bzw. sympatrischer Verbreitung werden Vikarianz- und Dispersionseffekte und daraus abgeleitete Speziationsmodelle (u.a. Refugialtheorie) untersucht. Ziel des Projektes ist es, unter Berücksichtigung von zeitlichen Eichparametern wie geologischen, phyto- und zoogeographischen Befunden Aufschlüsse über Evolutionszentren sowie Radiationsrichtungen und -zeiträume der einzelnen Trochilidentaxa zu erhalten. Die biogeographische und morphologische Rekonstruktion von Speziationsmustern bildet die Ausgangshypothese für weiterführende phylogenetische Fragestellungen, die in einem Anschlussprojekt mit Hilfe molekularbiologischer Methoden bearbeitet werden sollen.

Natural variation of flowering time due to cis-regulatory evolution of FLOWERING LOCUS T and its orthologs and paralogs in Brassica napus

In many plant species, FLOWERING LOCUS T and related proteins are the mobile signal that communicates information on photoperiod from the leaves to the shoots, where the transition to flowering is realized. FT expression is tightly controlled at the transcriptional level so that it is restricted to leaves, occurs only in appropriate photoperiods, and integrates ambient temperature and developmental cues, as well as information on biotic and abiotic stress. We previously established that FT transcription in the model plant Arabidopsis thaliana requires proximal promoter cis-elements and a distal enhancer, both evolutionary conserved among Brassicacea species. In addition, FT transcription is blocked prior vernalization in biannual accessions and vernalization-dependency of FT is controlled through a CArG-box located in the first intron that binds the transcriptional repressor FLOWERING LOCUS C (FLC). Chromatin-mediated repression by the Polycomb Group (PcG) pathway is required for photoperiod-dependent FT regulation and participates in FT expression level modulation in response to other cues.In this project, I propose to explore the available sequence data from the 1001 genome project in Arabidopsis to evaluate how often changes in regulatory cis-elements at FT have occurred and how these translate into an adaptive value. Allele-specific FT expression pattern will be measured in F1 hybrids of different accessions in response to varying environmental conditions. FT alleles that show cis-regulatory variation will be further analyzed to pinpoint the causal regulatory changes and study their effect in more detail. The allotetrapolyploid species Brassica napus is a hybrid of two Brassiceae species belonging to the A- and C-type genome, which are in turn mesopolyploid due to a genome triplication that occurred ca. 10x106 years ago. We will determine allele-specific expression of FT paralogs from both genomes of a collection of B. napus accessions. The plants will be grown in the field in changing environmental conditions to maximize the chance to detect expression variation of the paralogs. We will compare the contribution of the founder genomes to the regulation of flowering time and asses variation in this contribution. A particular focus will be to study the impact of chromatin-mediated repression on allele selection in B. napus.

Anpassung an graduelle Umweltveränderung

Während die Auswirkungen von Klimawandel auf physiologische und ökologische Prozesse das Thema zahlreicher Untersuchungen waren, sind evolutionäre Prozesse im Zusammenhang mit Klimawandel weit weniger gut untersucht. Insbesondere mangelt es an Studien zu möglichen komplexen Wechselwirkungen zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen in einer sich ändernden Umwelt. Artspezifische Unterschiede in Anpassungsraten könnten die Dynamik der gesamten Art-Gemeinschaft beeinflussen, umgekehrt könnten sich ökologische Prozesse wie Interaktionen zwischen Arten, Immigration und Emigration auf das Anpassungspotential von Arten auswirken. Die Tatsache, dass Klimawandel zu Veränderungen in mehreren Umweltfaktoren führt, macht Vorhersagen über mögliche Auswirkungen noch schwieriger, da sich Veränderungen in mehreren Stressoren interaktiv auf ökologische und evolutionäre Prozesse auswirken könnten. Die Ziele des vorgeschlagenen Projektes sind die Analyse von ökologischen und evolutionären Prozessen und deren Wechselwirkung (1) bei Veränderung von mehreren Stressoren, (2) bei Umweltveränderung in trophisch einfachen versus trophisch komplexen Gemeinschaften, und (3) bei Umweltveränderung in isolierten versus verbundenen Habitaten. Diese Fragestellungen sollen mit einer Kombination aus Modellierung, Mikrokosmen- und Mesokosmen-Experimenten untersucht werden. In einem Selektionsexperiment über hunderte von Generationen werden mehrere Algenarten bei konstanten bzw. steigenden CO2- und/oder Temperatur-Werten exponiert. Ebenso werden mehrere Ciliatenarten bei konstanter bzw. steigender Temperatur gehalten. Reziproke Transplantationsexperimente testen, ob eine mögliche Anpassung von Algen an steigende CO2-Werte durch gleichzeitige Erhöhung der Temperatur beeinflusst wird. Weiters wird getestet, ob sich Arten von verschiedenen trophischen Ebenen (Algen versus Ciliaten) in ihrer Anpassungsfähigkeit unterscheiden. Reziproke Transplantationsexperimente der gesamten Gemeinschaft werden testen, ob evolutionäre Prozesse die Dynamik der Gemeinschaft beeinflussen. Interaktive Effekte von Umweltveränderung und Habitatkonnektivität auf ökologische und evolutionäre Prozesse werden sowohl in einem Mikrokosmenexperiment als auch in einem Mesokosmenexperiment untersucht. Der Effekt von steigender Temperatur (Mikrokosmenexperiment) bzw. abnehmendem pH-Wert (Mesokosmenexperiment) wird in isolierten bzw. verbundenen Habitaten verglichen. In einem theoretischen Ansatz werden die drei Fragestellungen in einem Modell verknüpft. Zunächst werden Evolution und Umweltveränderung in ein Metagemeinschaftsmodell integriert. Entlang eines Konnektivitäts-Gradienten wird die relative Bedeutung von lokaler Anpassung im Vergleich zu Wanderungsprozessen untersucht. usw.

Evolutionsökologie und Biogeographie der Gastropoden des Kaspischen Meeres

Das Kaspische Meer repräsentiert ein Relikt der östlichen Paratethys und das, sowohl nach Oberfläche als auch nach Volumen, weltweit größte lakustrine Gewässer. Die Einzigartigkeit des Sees für evolutionsökologische und biogeographische Forschung ist insbesondere auch im Kontext starker hydrologischer Differenzierungen und einer wechselhaften neogenen und quartären Paläogeographie zu sehen. Die Kaspis scheint biogeographisch zwischen den europäischen und den zentralasiatischen Faunen zu vermitteln. Die Organismen des Sees sind jedoch größtenteils nicht modern, d.h. nicht falsifizierbar systematisch bearbeitet, so dass über stammesgeschichtliche und (paläo-) biogeographische Zusammenhänge weitgehend nur spekuliert werden kann. Im Zuge einer detaillierten, analytischen Bearbeitung der rezenten kaspischen Gastropoden, unter Einbeziehung ausgewählter Begleitfauna, soll deren evolutionsökologischer Kontext aufgeklärt und damit Bezüge zu den fossilen Faunen der westlichen Paratethys einerseits und zu den (Paläo-) Seen Zentralasiens andererseits, abgeklärt werden.

Maßgeschneiderte Inhaltsstoffe 2.2: ForceYield2.2 Zukunftsweisende mikrobielle Plattform zur Hochertragsproduktion von Biochemikalien aus landwirtschaftlichen Nebenströmen, Teilprojekt B

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze

Wir wollen die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze, der größten biotischen Krise in der Erdgeschichte, verstehen. Trotz ihrer erheblichen Bedeutung für die Evolution des Lebens werden die auslösenden Mechanismen für diese Krise noch immer sehr kontrovers diskutiert. Dieses Massenaussterben ist das gravierendste vergangene Beispiel einer durch Klimaveränderungen, besonders durch globale Erwärmung, ausgelöste Krise. Sie kann daher als ein Analogon für die Reaktion der Biodiversität auf die zukünftige anthropogene Klimaänderung angesehen werden. Wir schlagen hier ein Forschungsprojekt vor, in welchem die Konsequenzen von Stress durch Erwärmung während des end-Permischen Massenaussterbens und der Erholung in der frühen Trias untersucht wird. Wir wählen die Ostracoden als Modell-Organismen für simultane Untersuchungen ihrer Evolutionsgeschichte und ihrer Reaktion auf Klimaveränderungen (besonders hinsichtlich der Erwärmung am Perm/Trias-Grenzintervall). Die zu untersuchenden Aufschlüsse liegen im Nordwest-Iran (Region von Julfa), Zentraliran (Region von Abadeh) und dem Zagros-Gebirge (Region von Esfahan); diese Regionen repräsentieren Tiefschelf- bis Flachwasser-Habitate. Unsere Studie wird die Untersuchung von Isotopengeochemie (Analysen von delta13C und delta18O) unter Anwendung der SIMS-Technologie von Ostracodenschalen beinhalten. Außerdem werden die Ostracoden-Vergesellschaftungen hinsichtlich ihrer taxonomischen Diversität, morphologischen Disparität, Grad des Endemismus, Veränderungen in der Größe der Individuen usw. untersucht.

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