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Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die magmatische Entwicklung eines Inselbogens am Beispiel der Neuen Hebriden

Die magmatische Entwicklung von ozeanischen Inselbögen und ihre mögliche Bedeutung für das Verständnis von Subduktions-Initiierung sind momentan Schwerpunkte des IODP mit den Bohrfahrten 350, 351 und 352 im Izu-Bonin-Mariana (IBM) Inselbogen, forearc und rear-arc. Die meisten Modelle zur Subduktions-Initiierung basieren auf Untersuchungen am IBM, aber es ist nicht klar, ob diese auch für andere ozeanische Inselbögen gelten. Der New Hebrides Inselbogen (NHIA) ist einer der jüngsten der Erde und entstand durch Subduktions-Initiierung vor etwa 15 Millionen Jahren, als die Kollision des Ontong Java Plateaus einen Umschwung der Subduktionsrichtung erzwang. Das ODP Leg 134 erbohrte sieben Kerne mit Längen bis 1100 m im forearc und backarc des NHIA und förderte viele magmatische Gesteine und Aschenlagen mit vulkanischen Gläsern mit Altern bis in das mittlere Miozän. In diesem Projekt wollen wir die alten Proben mit modernen Methoden neu analysieren, um die magmatische Entwicklung des NHIA zu untersuchen und mit der des IBM zu vergleichen. Dazu wollen wir auch weitere bisher schlecht untersuchte submarine Proben analysieren und mit Geländearbeiten auf den Inseln des zentralen NHIA die Magmenbildung im Verlauf der Zeit bis mindestens 20 Ma definieren. Diese neuen Daten werden auch Einblicke in den Effekt der Subduktion des d'Entrecasteaux Rückens auf die Magmenbildung des NHIA geben, die vor etwa 2 Ma begann. Diese Untersuchungen sind wichtig für das globale Verständnis von Subduktionsprozessen und der damit einhergehenden Magmenbildung im Erdmantel.

Ökologie und Evolution von dunklen Materiepilzen in aquatischen Biofilmen

In der aquatischen Umwelt zeigen Pilze starke Interaktionen zu einer Vielzahl anderer Organismen, darunter Algen, Metazoen und Bakterien, die die pilzliche Diversifizierung vorangetrieben haben. Die Pilzevolution begann frühzeitlich in der aquatischen Umwelt. Die Verbindungen mit anderen Organismen führten zu vielen biotrophen Lebensweisen und einer großen phylogenetischen Vielfalt. Es ist wahrscheinlich, dass die frühen Wasserpilze bereits die funktionellen Merkmale ausbildeten, die zum Erfolg des Pilzreichs, als eine der vielfältigsten Organismengruppen der Erde, geführt hat. Trotz der recht umfangreichen Studien, die die Komplexität der aquatischen Mikrobiome untersuchen, sind weder die große phylogenetische Vielfalt der aquatischen Pilze noch die Wechselwirkungen der aquatischen Pilze mit anderen Organismen gut beschrieben. Dieses Paradoxon ist das Resultat von zu wenigen Studien, die aquatische Mikrobiome ganzheitlich untersuchen, und ist zudem auch der Tatsache geschuldet, dass die aquatischen Pilze nicht als solche erkannt werden. Wasserpilze erscheinen oft als unbekannte genetische Elemente ohne erkennbare Übereinstimmung mit unseren Datenbanken. Das veranlasste uns dazu, den Begriff Dunkle Materiepilze (DMP) zu etablieren, um die Unbekanntheit der frühen divergierenden Pilzlinien in der aquatischen Umwelt hervorzuheben. Einer der vielversprechendsten aquatischen Lebensräume zur Untersuchung von DMP und deren Wechselwirkungen mit anderen Organismen im kleinen Maßstab ist der aquatische Biofilm. Insbesondere heterotrophe Biofilme können einen hohen Anteil an DMP aufweisen, was die Aufklärung von DMP-Interaktionen und ökologischen Funktionen erleichtert. Es ist völlig unklar, welche organismischen Wechselwirkungen die Determinanten für die DMP in Biofilmen sind und inwieweit DMP die Biofilmstruktur beeinflussen. Das Verständnis der Ökologie und der Evolution von DMP bleibt aufgrund der Komplexität der natürlichen Gemeinschaften eine Herausforderung. Aufgrund der neuen methodischen Entwicklungen ist es nun jedoch möglich, durch Manipulationsexperimente an natürlichen sowie an Modell-Biofilmgemeinschaften eine konzeptionelle Sicht auf die DMP-Ökologie und -Evolution aufzubauen. Das Ziel der vorgeschlagenen Emmy Noether-Forschungsgruppe ist es, die grundlegende Ökologie und Evolution der aquatischen DMP zu verstehen. Durch die Kombination von Mikrodissektion, Hochdurchsatz-Kultivierung und molekularer Sequenzierung der nächsten Generation, werden wir herausfinden, wie und welche Pilz-Interaktionen mit Mikroben die gesamte Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflussen. Wir werden auch umfangreiche DMP-Barcode- und Genomdaten generieren, die als Schlüsselressourcen für das Erstellen einer robusten frühen Pilzphylogenie dienen werden, und es uns ermöglicht, die frühe Pilzevolution auf der Grundlage von Phylogenomik und biotrophen Interaktionen zu diskutieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Verständnis von Wolken und Niederschlag auf der Meter-Skala mit HALO und ICON – Luftmassentransformation in der Arktik

Die Entwicklung arktischer Luftmassen ist wichtig für die Entstehung und Beständigkeit von Wolken und Niederschlag. Zwei Phänomene – warme und feuchte Einflüsse aus dem Süden sowie kalte und trockene Strömungen aus dem Norden – verursachen besonders starke und schnelle Änderungen in den Luftmassen. Während dieser Ereignisse ändern sich die Zustände z.B. der Wolken, der Stabilität und des Feuchtebudgets sowohl räumlich als auch zeitlich. Aufgrund dieser schnellen Änderungen sowie den generellen arktischen Bedingungen mit niedrigen und oft starken Inversionen, ist es schwierig die Prozesse mit globalen Modellen mit einer groben Auflösung sinnvoll wiederzugeben. Um die entscheidenden Prozesse sowohl besser zu erfassen als auch zu parameterisieren, wird in diesem Projekt eine Kombination aus detaillierten Beobachtungen mit dem HALO Flugzeug und hoch-aufgelösten Simulationen mit dem ICON-LEM verwendet. Durch die lange Reichweite des HALO Flugzeuges wird es möglich sein dasselbe Ereignis mehrmals zu messen und dadurch einen breiten Einblick in die Struktur der Luftmasse zu bekommen. Darüber hinaus wird es durch die Lagrangsche, d.h. mit der Strömung mitbewegte, Flugstrategie möglich sein, die zeitliche Entwicklung der Luftmassen während der Ereignisse zu erfassen. Durch lokale Verfeinerungen um den tatsächlichen Flug herum wird die Auflösung des ICON-LEM Setups zwischen 1 km und 100 m variieren. Mit dieser einzigartige Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird es möglich sein, das Feuchtebudget während der beobachteten warmen und kalten Einströmungen abzuschätzen. Anhang dieser Abschätzung können anschließend offene Fragen wie die Effizienz des Niederschlages sowie deren Einfluss auf die Beständigkeit der arktischen Mischphasenwolken untersucht werden. Während die Lagrangsche Flugstrategie es ermöglicht neue und einzigartige Forschungsfragen zu untersuchen, stellt sie die Flugplanung vor eine große Herausforderung, da eine gute Abschätzung der Luftströmungen unerlässlich sein wird. Teil dieses Projekts ist es deshalb auch die Flugplanung durch hochaufgelöste Vorhersagen und die Verfolgung bestimmter Luftmassen zu unterstützen. Insbesondere die Berechnung mehrerer Trajektorien wird es ermöglichen die verbleibenden Unsicherheiten abzuschätzen und sinnvolle Flugmuster vorzuschlagen. Die vorgeschlagene Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird zu einem besseren Verständnis der Änderungen im Feuchtebudget und der Erhaltung von Mischphasenwolken während der feuchten sowie kalten Luftströmungen in der Arktis führen.

Evolution von Laut-Kommunikation und Kognition, Sozialität und Artendiversität bei Lemuren

a) Vergleichende Untersuchungen zur Kommunikation, Fortpflanzungsbiologie, Sozialbiologie und Populationsgenetik von Lemuren im Trocken- und Regenwald. b) Einfluss von Ressourcenangebot und Ressourcenkonkurrenz auf Sozialität und Life-History-Variablen. c) Charakterisierung der Artendiversität vom Aussterben bedrohter Primatenarten.

Physiologische, biochemische und biophysikalische Untersuchungen zur Funktion und molekularen Organisation der Xanthophylle im Lichtsammelkomplex der Alge Mantoniella squamata

In diesem Vorhaben wird die Wechselwirkung von Photosynthesepigmenten und Proteinen auf molekularer Ebene untersucht, um besser zu verstehen, unter welchen Bedingungen absorbiertes Licht für die Photosynthese genutzt wird und unter welchen Bedingungen die Energie als Wärmeabstrahlung verloren geht. Ein genaueres Verständnis der zugrunde liegenden Funktionsmechanismen ist z.B. notwendig, um in Zukunft pflanzliche Carotinoide verstärkt in der Biotechnologie einsetzen zu können. In dem Vorhaben wird die molekulare Pigmentorganisation und ihre lichtabhängige Dynamik in einer einzelligen Alge untersucht, die sich durch eine besonders reichhaltige Pigmentierung auszeichnet. Es konnte gezeigt werden, dass der dem Lichtschutz dienende Xanthophyllzyklus bei Diatomeen zusätzlich eine zentrale Rolle in der Regulation der Pigmentbiosynthese spielt. In Mantoniella konnte ein unvollständiger Xanthopyllzyklus nachgewiesen werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Evolution des Lichtschutzes in der Photosynthese experimentell zu untersuchen.

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.

Auswirkungen von variabler solarer Aktivität auf die neutrale exosphärische Wasserstoffdichte der Erde auf Zeitskalen von halben Stunden bis zum solaren Zyklus

Basierend auf 10 Jahren globaler Lyman-a Beobachtungen von TWINS wird vorgeschlagen, in 3D die Variation der neutralen Exosphäre der Erde verursacht von Variabilität der solaren Aktivität (nur Sonnenwind oder UV und beide gemeinsam) auf Zeitskalen von Jahren (solarer Zyklus) über Tage (27 Tage solare Rotation) bis zu Stunden (geomagnetische Stürme) zu untersuchen.Die Exosphäre ist die äußerste Region der Atmosphäre und besteht vor allem aus neutralem Wasserstoff (H). Als Übergang in den interplanetaren Raum spielt sie eine wichtige Rolle für die gesamte Entwicklung der Erdatmosphäre von der urzeitlichen Vergangenheit bis in die Zukunft, z.B. durch Verlust von H aus Oberflächenwasser in den Weltraum. Da unmittelbar der UV-Strahlung und solaren Aktivität ausgesetzt können Space Weather-Ereignisse (wie geomagnetische Stürme) signifikante Effekte auf die neutrale Exosphäre haben. Über die quantitativen Einflüsse und die relevanten physikalischen Prozesse ist bislang nur wenig bekannt.Exosphärische H-Atome streuen resonant solare Lyman-a Strahlung zurück. Die gestreute Intensität ist proportional zur lokalen H-Dichte im optisch dünnen Bereich oberhalb von 3 Re (Erdradien). Die TWINS Daten enthalten einzigartige kontinuierliche exosphärische Lyman-a Messungen in 3D aus 10 Jahren und sind erst teilweise analysiert.Es wird vorgeschlagen, mittels tomographischer und kinetischer Modelle in 3D die dynamische H-Dichtevariationen verursacht durch variierendes Space Weather auf verschiedenen Zeitskalen bei 3-8 Re zu untersuchen.Erstens soll die Entwicklung der H-Dichteverteilung über den solaren Zyklus 2008-2018 in 3D charakterisiert werden, insbesondere wie totale H-Dichte, radiale Profile und regionale Asymmetrien rund um die Erde (polar/äquatorial, Tag/Nacht usw.) an den solaren Zyklus gekoppelt sind.Zweitens soll die hoch dynamische Reaktion auf geomagnetische Stürme erstmals in 3D mit Zeitauflösung von Stunden bis ~30 min auf Basis der einzigartig großen Menge an Stürmen in den TWINS-Daten analysiert werden. Durch Monte Carlo Simulationen sollen beitragende physikalische Mechanismen bestimmt und quantifiziert werden.Drittens wird vorgeschlagen, den alleinigen Einfluss von solaren UV-Variationen bei relativ konstantem Sonnenwind zu untersuchen anhand der solaren 27 Tage UV-Variation sowie eruptiver solare UV-Ausbrüche. Im Fokus stehen hier die Effekte durch periodische und eruptive Variationen des Strahlungsdrucks bzw. der Photoionisation, insbesondere auf orbitierende H-Atome in größeren Distanzen.Die Verfügbarkeit eines 3D H-Dichtemodells mit Berücksichtigung dynamischer Variationen durch veränderliches Space Weather wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der neutralen Exosphäre. Es besitzt auch eine große Bedeutung für kommende Missionen zur Erforschung der Magnetosphäre (wie SMILE, LEXI oder STORM) auf Basis von ENA- bzw. Soft Röntgen-Messungen, die zur Invertierung korrekte lokale exosphärische H-Dichten zu einer beliebigen Zeit benötigen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt D05: OSL-Datierung: Zeitliche Eingrenzung der pleistozänen Umweltgeschichte der Atacama: Ausweitung des anwendbaren Altersbereichs für Lumineszenz-Datierungen

Ziel dieses Projektes ist es, den nutzbaren Altersbereich für OSL-Datierungen von 200-400 ka in Richtung 1 Ma auszuweiten. Diese Ausweitung würde die zeitliche Lücke in unserem Vermögen klastische Sedimente zu datieren, zwischen Radiokohlenstoffdatierung (bis ca. 40 ka) und Bedeckungsalterdatierung (größer als 500 ka), schliessen helfen.

Untersuchung des Einflusses vulkanischer Eruptionen auf stratosphärische Aerosole und den Strahlungsantrieb

Das Projekt VolARC ist eines von fünf Projekten des Antrags für die zweite Phase der DFG Forschungsgruppe VolImpact (FOR 2820), deren erste Phase im Frühjahr 2019 begann. VolARC befasst sich mit wichtigen und offenen Fragen vulkanischer Effekte auf stratosphärische Aerosole und deren Einfluss auf die Strahlungsbilanz des Erdsystems. Basierend auf den Arbeiten der laufenden Phase I sollen in Phase II folgende drei Themen bearbeitet werden:(1) Konsolidierung des Verständnisses der Entwicklung stratosphärischer Aerosolparameter nach Vulkanausbrüchen und Untersuchung der Gründe für die verbleibenden Unterschiede zwischen beobachteten und modellierten stratosphärischen Aerosolparametern (Aerosolextinktionsprofile, optische Tiefe und insbesondere die Teilchengrößenverteilung stratosphärischer Aerosols), sowie Behebung der Ursachen für die Unterschiede. Insbesondere die zeitliche Entwicklung der Aerosolgrößenverteilung soll besser verstanden werden. (2) Untersuchung des Einflusses von Modellauflösung und Transport auf die Entwicklung vulkanischer Aerosolwolken in der Stratosphäre. In Phase II wird ein “Seamless Simulation”-Ansatz verwendet, der mittels mehrerer Nests eine konsistente Modellierung aller relevanten Prozesse auf den entsprechenden Skalen ermöglicht, von der initialen Entwicklung der Vulkanwolke bis hin zu globalen und längerfristigen Skalen. (3) Untersuchung der Fähigkeit von Limb- und Okkultationsinstrumenten, vulkanische Sulfataerosole in der Stratosphäre nach stärkeren Vulkanausbrüchen zu erfassen. Bereits bei relativ moderaten optischen Tiefen wird die Sichtlinie in Limb-Geometrie optisch dicht und eine robuste Bestimmung der Aerosolextinktion problematisch. Außerdem wird untersucht, ob aktuelle Satelliteninstrument in der Lage sind, eine im Rahmen von Geoengineering Aktivitäten künstliche verstärkte stratosphärische Aerosolschicht zu erfassen und zu überwachen. Diese Themen werden durch die Synergy globaler Satellitenbeobachtung stratosphärischer Aerosolparameter im optischen Spektralbereich und globaler Modellsimulationen mit expliziter Aerosolmikrophysik untersucht. Wir werden u.a. unsere eigenen Algorithmen verwenden um aus Messungen vergangener, aktueller und zukünftiger Satelliteninstrumente (bsp. OMPS-LP, SAGE III and SCIAMACHY) Aerosolparameter abzuleiten. Die Modellsimulationen werden hauptsächlich mit ICON-ART durchgeführt, aber auch MAECHAM-HAM-Simulationen werden zum Vergleich mit Messdaten und ICON-ART-Simulationen zum Einsatz kommen. Das VolARC-Projekt ist sehr gut mit den anderen vier VolImpact-Projekten vernetzt, insbesondere durch die definierten übergreifenden Forschungsthemen an denen jeweils mehrere VolImpact-Projekte beteiligt sind. Diese Themen sind: (1) die Aerosolteilchengrößenverteilung, (2) vulkanische H2O-Injektionen in die mittlere Atmosphäre und (3) Strahlungsantrieb durch vulkanische Effekte. Darüber hinaus wird VolARC alle Aktivitäten zur Seamless-Simulation in VolImpact koordinieren.

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