Institutions and preferences determine resilience of ecological-economic systems

We perform a model analysis to study the origins of limited resilience in ecological-economic systems. We demonstrate that the resilience properties of the ecosystem are essentially determined by the management institutions and consumers’ preferences for ecosystem services. In particular, we show that complementarity of ecosystem services in human well-being and open access of the ecosystem to profit-maximizing harvesting firms may lead to limited resilience of the ecosystem. We conclude that the role of human preferences and management institutions is not just to facilitate adaptation to, or transformation of, some natural dynamics of ecosystems. Rather, human preferences and management institutions are themselves important determinants of the fundamental dynamic characteristics of the ecological-economic system, such as limited resilience.ecological-economic systems, ecosystem services, institutions, natural resource management, preferences, resilience

Decoherence scenarios from micro- to macroscopic superpositions

Environment induced decoherence entails the absence of quantum interference phenomena from the macroworld. The loss of coherence between superposed wave packets depends on their separation. The precise temporal course depends on the relative size of the time scales for decoherence and other processes taking place in the open system and its environment. We use the exactly solvable model of an harmonic oscillator coupled to a bath of oscillators to illustrate various decoherence scenarios: These range from exponential golden-rule decay for microscopic superpositions, system-specific decay for larger separations in a crossover regime, and finally universal interaction-dominated decoherence for ever more macroscopic superpositions.Comment: 11 pages, 7 figures, accompanying paper to quant-ph/020412

Breakdown of a conservation law in incommensurate systems

We show that invariance properties of the Lagrangian of an incommensurate system, as described by the Frenkel Kontorova model, imply the existence of a generalized angular momentum which is an integral of motion if the system remains floating. The behavior of this quantity can therefore monitor the character of the system as floating (when it is conserved) or locked (when it is not). We find that, during the dynamics, the non-linear couplings of our model cause parametric phonon excitations which lead to the appearance of Umklapp terms and to a sudden deviation of the generalized momentum from a constant value, signalling a dynamical transition from a floating to a pinned state. We point out that this transition is related but does not coincide with the onset of sliding friction which can take place when the system is still floating.Comment: 7 pages, 6 figures, typed with RevTex, submitted to Phys. Rev. E Replaced 27-03-2001: changes to text, minor revision of figure

Die Auswirkungen eines systematischen Ausdauertrainings auf das tumorbedingte Fatigue-Syndrom und das Bewegungsverhalten von Patienten mit fortgeschrittenem Prostatakarzinom

Das tumorbedingte Fatigue-Syndrom ist ein Symptomkomplex, welches häufig von Krebsüberlebenden in allen Stadien des Krankheitsverlaufs, sowie während und/oder nach der Behandlung erfahren wird 4. Dabei stellen die Therapieoptionen und die Tumorentität die Hauptauslöser des Fatigue-Syndroms dar. 62% bis 85% der Patienten, die unter einer aktiven Krebstherapie stehen, berichten von der Fatiguesymptomatik 3-5. Der Prostatakrebs ist zurzeit, die beim Mann am häufigsten auftretende Tumorerkrankung 1.Die Behandlungsmöglichkeiten variieren je nach Krankheitsstadium zwischen der radikalen Prostatektomie, der Radiatio, der Androgendeprivations-therapie und der Chemotherapie. Diese therapeutischen Optionen können zu belastenden Nebenwirkungen führen, wobei das tumorbedingte Fatigue-Syndrom nur eines von vielen darstellen kann. In der prospektiven, multizentrischen, randomisierten Studie wurden, nach Anwendung der Ein- und Ausschlusskriterien 62 Prostatakrebspatienten nach dem Prinzip der „comprehensive cohort study“ in die Interventions- (n=48) oder die Kontrollgruppe (n=14) randomisiert. Die Interventionsgruppe wiederum wurde in Patienten, welche unter Hormon- (n=39) oder Chemotherapie (n=9) stehen, unterteilt. Die Patienten in der Interventionsgruppe führten zweimal in der Woche ein supervidiertes Ausdauertraining und dreimal pro Woche ein selbstständiges Ausdauertraining durch. Die Patienten in der Kontrollgruppe nahmen an keinem Ausdauertraining teil. Das Training umfasste insgesamt sechs Monate. Es werden fünf Messzeitpunkte unterschieden; Baseline, nach drei Monaten Training, nach insgesamt sechs Monaten Training, erste Nachbeobachtungszeit nach 12 und zweites Follow-Up nach insgesamt 18 Monaten nach Beendigung der Ausdauertrainingseinheiten. Mittels Fragebögen wurden nach Symptomen des tumorbedingten Fatigue-Syndroms gefragt. Zudem wurde mithilfe der VO2max und der Wattleistung die körperliche Leistungsfähigkeit gemessen. Das primäre Ziel der Studie war es die Auswirkungen der sechsmonatigen Ausdauertrainingseinheit auf die Fatigue-Symptomatik bei Prostatakrebs-Patienten zu unter-suchen. Es ließ sich zeigen, dass es in der Interventionsgruppe zu einer Verbesserung in allen MFI-Subskalen über den Zeitraum T0 bis T4 gekommen ist. Vor allem im physischen Fatigue-Score kam es zu einer Reduktion der Fatigue-Symptomatik von T0 bis T4 (p=0,05). Aber auch im mentalen Fatigue-Score war eine signifikante Reduktion zum Zeitpunkt T2 erkennbar (p=0,04). Die reduzierte Aktivität veränderte sich signifikant (p=0,00) vom Messzeitpunkt T0 bis T3 und T0 bis T4. Auch der reduzierte Motivation-Score reduzierte sich signifikant von T0 zu T4 (p=0,01). Zum Teil ließen sich auch eine Fatigue-Reduktion in der Kontrollgruppe nachweisen, allerdings waren diese deutlicher in der Interventionsgruppe zu sehen. Die Resultate in den MFI-Subskalen zwischen der Interventionsgruppe Chemotherapie und Interventionsgruppe Hormontherapie veranschaulichen, dass bei den Hormontherapie-Patienten in allen Subskalen eine Verbesserung in der CRF-Symptomatik stattgefunden hatte als bei den Chemotherapie-Patienten. Zudem wurden die Veränderungen der Parameter für die Ausdauerleistungsfähigkeit (VO2max, Wattleistung) im Rahmen der Bewegungstherapie und die Zusammenhänge zur Fatigue-Symptomatik erfasst. Während der Studie zeigte sich ein Zusammenhang zwischen der VO2max sowie der Wattleistung und der körperlichen Fatigue zu T1 (p=0,003) bis T4 (p=0,007). Auch die Abnahme des reduzierten Aktivitätsscore des MFI zeigte eine Korrelation zu den Zeitpunkten T1 (p=0,007), T2 (p=0,001) und T4 (p=0,021)mit der VO2max. Mit sinkender körperlicher Beeinträchtigung hervorgerufen durch die bewegungstherapeutischen Einheiten, nahm die Ausdauerleistungsfähigkeit der Probanden signifikant zu. Daraufhin beeinflusste die gesteigerte Leistungsfähigkeit die Abnahme im MFI-Score. Überdies konnten nur vereinzelt Assoziationen zwischen den anderen Subskalen des MFI und der körperlichen Leistungsfähigkeit festgestellt werden. Die Ergebnisse verdeutlichten, dass ein Mangel an Korrelation zwischen der Reduktion der allgemeinen, mentalen Fatigue-Subskala, sowie der reduzierten Motivation und der Steigerung der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit in der Interventionsgruppe zu verschiedenen Messzeitpunkten bestand. Die Probanden, die nur aus dem Hormontherapie-Arm stammten, wiesen nach den sechsmonatigen Trainingseinheiten eine bessere Ausdauerleistungsfähigkeit im Gegensatz zu den Chemotherapie-Patienten auf. Hierbei spielten neben der ausgeprägten Fatigue-Symptomatik, die Kardiotoxizität, die Anämie und die Infektanfälligkeit nach der Behandlung mit dem Zytostatikum eine Rolle. Diese Nebenwirkungen könnten den Patienten gehindert haben in größerem Umfang sportlich aktiv zu werden. Des Weiteren wurde überprüft, ob die sportliche Intervention einen nachhaltigen Effekt ausgeübt und damit die Fatigue-Symptomatik beeinflusst hatte. Dabei wiesen alle MFI-Subskalen in der Interventionsgruppe einen tendenziellen positiven Effekt nach der drei- bzw. sechsmonatigen Bewegungstherapie auf, welcher nicht signifikant war. Eine nachhaltige Verbesserung der CRF-Symptomatik nach 12 und 18 Monaten zeigten sich ebenfalls in allen MFI-Subskalen, wobei dies v.a. in der „reduzierten Aktivität“- Subskala signifikant war (p< 0,001). Es lässt sich schlussfolgern, dass die Dauer eines Trainingsprogramms mindestens zwischen drei und sechs Monaten liegen sollte, um den Großteil der Subgruppen zu umfassen und damit die CRF-Problematik gezielt verringern zu können. Der Score der körperlichen Fatigue zeigt zudem, dass die Probanden, die unter endokriner Therapie standen, langfristig nach Beenden der Trainingseinheit eher eine Re-duktion der CRF-Symptomatik erzielten als die Chemotherapie-Patienten. Ein weiterer Aspekt, welcher in der vorliegenden Dissertationsschrift beleuchtet wurde, war die Unterscheidung der subjektiven und objektiven Aktivität der Probanden im Rahmen der sechsmonatigen Trainingseinheit aber auch während der gesamten Studiendauer. Anhand dieser beiden Assessments ließ sich zeigen, dass die subjektive Wahrnehmung der bewegungstherapeutischen Einheiten nicht zu vergleichen ist mit der objektiven, da sich beide in ihren Werten, gemessen in kcal/Woche, sehr deutlich unterschieden. Diese Tatsache ist praktisch relevant, da sie die Notwendigkeit von Sensewear-Bändern zur objektiven Bestimmung der Aktivität aufzeigen und eine Vergleichbarkeit zwischen Probanden ermöglicht. Durch die ProImmun-Studie konnte die positive und nachhaltige Wirkung von bewegungstherapeutischem Training auf die Reduktion der CRF-Symptomatik bewiesen werden

Fidelity and Purity Decay in Weakly Coupled Composite Systems

We study the stability of unitary quantum dynamics of composite systems (for example: central system + environment) with respect to weak interaction between the two parts. Unified theoretical formalism is applied to study different physical situations: (i) coherence of a forward evolution as measured by purity of the reduced density matrix, (ii) stability of time evolution with respect to small coupling between subsystems, and (iii) Loschmidt echo measuring dynamical irreversibility. Stability has been measured either by fidelity of pure states of a composite system, or by the so-called reduced fidelity of reduced density matrices within a subsystem. Rigorous inequality among fidelity, reduced-fidelity and purity is proved and a linear response theory is developed expressing these three quantities in terms of time correlation functions of the generator of interaction. The qualitatively different cases of regular (integrable) or mixing (chaotic in the classical limit) dynamics in each of the subsystems are discussed in detail. Theoretical results are demonstrated and confirmed in a numerical example of two coupled kicked tops.Comment: 21 pages, 12 eps figure

Quantum trajectories for Brownian motion

We present the stochastic Schroedinger equation for the dynamics of a quantum particle coupled to a high temperature environment and apply it the dynamics of a driven, damped, nonlinear quantum oscillator. Apart from an initial slip on the environmental memory time scale, in the mean, our result recovers the solution of the known non-Lindblad quantum Brownian motion master equation. A remarkable feature of our approach is its localization property: individual quantum trajectories remain localized wave packets for all times, even for the classically chaotic system considered here, the localization being stronger the smaller $\hbar$.Comment: 4 pages, 3 eps figure

Non-Markovian Quantum Trajectories of Many-Body Quantum Open Systems

A long-standing open problem in non-Markovian quantum state diffusion (QSD) approach to open quantum systems is to establish the non-Markovian QSD equations for multiple qubit systems. In this paper, we settle this important question by explicitly constructing a set of exact time-local QSD equations for $N$-qubit systems. Our exact time-local (convolutionless) QSD equations have paved the way towards simulating quantum dynamics of many-body open systems interacting with a common bosonic environment. The applicability of this multiple-qubit stochastic equation is exemplified by numerically solving several quantum open many-body systems concerning quantum coherence dynamics and dynamical control.Comment: 8 pages, 2 figures. manuscript revised and reference update

"Last-Mile" preparation for a potential disaster

Extreme natural events, like e.g. tsunamis or earthquakes, regularly lead to catastrophes with dramatic consequences. In recent years natural disasters caused hundreds of thousands of deaths, destruction of infrastructure, disruption of economic activity and loss of billions of dollars worth of property and thus revealed considerable deficits hindering their effective management: Needs for stakeholders, decision-makers as well as for persons concerned include systematic risk identification and evaluation, a way to assess countermeasures, awareness raising and decision support systems to be employed before, during and after crisis situations. The overall goal of this study focuses on interdisciplinary integration of various scientific disciplines to contribute to a tsunami early warning information system. In comparison to most studies our focus is on high-end geometric and thematic analysis to meet the requirements of small-scale, heterogeneous and complex coastal urban systems. Data, methods and results from engineering, remote sensing and social sciences are interlinked and provide comprehensive information for disaster risk assessment, management and reduction. In detail, we combine inundation modeling, urban morphology analysis, population assessment, socio-economic analysis of the population and evacuation modeling. The interdisciplinary results eventually lead to recommendations for mitigation strategies in the fields of spatial planning or coping capacity

Comparison of Stochastic Methods for the Variability Assessment of Technology Parameters

This paper provides and compares two alternative solutions for the simulation of cables and interconnects with the inclusion of the effects of parameter uncertainties, namely the Polynomial Chaos (PC) method and the Response Surface Modeling (RSM). The problem formulation applies to the telegraphers equations with stochastic coefficients. According to PC, the solution requires an expansion of the unknown parameters in terms of orthogonal polynomials of random variables. On the contrary, RSM is based on a least-square polynomial fitting of the system response. The proposed methods offer accuracy and improved efficiency in computing the parameter variability effects on system responses with respect to the conventional Monte Carlo approach. These approaches are validated by means of the application to the stochastic analysis of a commercial multiconductor flat cable. This analysis allows us to highlight the respective advantages and disadvantages of the presented method

Seed sequence polymorphism rs2168518 and allele-specific target gene regulation of hsa-miR-4513

Acknowledgements We thank Lisa Michaelis and Dr Karolina Plößl (Institute of Human Genetics, University of Regensburg) for excellent technical help and thorough proofreading of the manuscript, respectively. We thank Marina Sauer and Franz-Stephan Attenkofer (Institute of Human Genetics, University of Regensburg) for their support in generating the luciferase reporter vectors. Conflict of Interest statement. The authors declare no conflict of interest. The funders had no role in the design of the study; in the collection, analyses or interpretation of data; in the writing of the manuscript; or in the decision to publish the results. Funding German Research Foundation (GR5065/1-1 to F.G.); and the Helmut Ecker Foundation (Ingolstadt, Germany) (no. 05/17 to B.H.F.W).Peer reviewedPublisher PD