Lattice-Ramp Induced Dynamics in an Interacting Bose-Bose Mixture

We investigate a bosonic quantum gas consisting of two interacting species in an optical lattice at zero and finite temperature. The equilibrium properties and dynamics of this system are obtained by means of the Gutzwiller mean-field method. In particular we model recent experiments where the ramp-up of the optical lattice occurs on a time scale comparable to the tunneling time of the bosons. We demonstrate the violation of adiabaticity of this process with respect to the many-body quantum states, and reproduce and explain the oscillations of the visibility as a function of ramp-up time, as seen in experiments.Comment: 11 pages, 12 figure

Impact of Secondary Acceleration in Gamma-Ray Bursts

We discuss the acceleration of secondary muons, pions, and kaons in gamma-ray bursts within the internal shock scenario, and their impact on the neutrino fluxes. We introduce a two-zone model consisting of an acceleration zone (the shocks) and a radiation zone (the plasma downstream the shocks). The acceleration in the shocks, which is an unavoidable consequence of the efficient proton acceleration, requires efficient transport from the radiation back to the acceleration zone. On the other hand, stochastic acceleration in the radiation zone can enhance the secondary spectra of muons and kaons significantly if there is a sufficiently large turbulent region. Overall, it is plausible that neutrino spectra can be enhanced by up to a factor of two at the peak by stochastic acceleration, that an additional spectral peaks appears from shock acceleration of the secondary muons and pions, and that the neutrino production from kaon decays is enhanced. Depending on the GRB parameters, the general conclusions concerning the limits to the internal shock scenario obtained by recent IceCube and ANTARES analyses may be affected by up to a factor of two by secondary acceleration. Most of the changes occur at energies above 10^7 GeV, so the effects for next-generation radio-detection experiments will be more pronounced. In the future, however, if GRBs are detected as high-energy neutrino sources, the detection of one or several pronounced peaks around 10^6 GeV or higher energies could help to derive the basic properties of the magnetic field strength in the GRB.Comment: 10 pages, 5 figures, 1 tabl

Calcium signalling in the filamentous and nitrogen-fixing cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120

Cyanobacteria fix atmospheric CO2 into sugars using water and sunlight in a process called photosynthesis, generating O2 as a by-product. Cyanobacteria not only contribute substantially to global primary production, but also to the global nitrogen cycle. Nitrogen fixation is a particular feature of a wide range of bacteria and archaea. Filamentous cyanobacterial strains spatially separate oxygenic photosynthesis and anoxic nitrogen fixation in two different cell types - the vegetative cells and specialised cells called heterocysts, respectively. As a model organism for cyanobacterial photosynthesis and nitrogen fixation, Anabaena (Nostoc) sp. PCC 7120 was used in this thesis to study the effects of Ca2+ on regulation mechanisms of the metabolic equilibrium between the two most abundant elements - carbon and nitrogen - whose ratio is an indicator of the metabolic performance. Ca2+ is a ubiquitous second messenger, enzyme co-factor and component of membranes in eukaryotic cells and organisms, such as mammals and plants. However, the importance of Ca2+ in cellular processes in prokaryotes, particularly in cyanobacteria, is not as well understood. High amounts of Ca2+ are known to be toxic, therefore, the concentration of free intracellular Ca2+ is tightly regulated by Ca2+ channels and pumps, and Ca2+-binding proteins, respectively. Results in this thesis have demonstrated that Ca2+ is a key regulator of the intracellular carbon and nitrogen balance, through regulation of gene expression of the respective carbon and nitrogen uptake transporters, which is vital for metabolic homeostasis of the cells. A novel Ca2+-binding protein (CSE) in Anabaena sp. PCC 7120 was described and connected to the maintenance of the metabolic balance between photosynthetic light reactions and nitrogen fixation, based on the characterisation of the cse gene and protein. The CSE protein shows many features of a Ca2+ sensor and regulator protein and thus is likely to interact with a protein partner upon sensing changes of intracellular Ca2+ levels. Overexpression of CSE impaired photosynthetic electron transport across the thylakoid membrane, possibly through defects in the proper assembly of the light-harvesting complexes, called phycobilisomes in cyanobacteria, and damage of photosystem II dimers. Deletion of CSE, in contrast, severely disturbed heterocyst development and filament integrity, possibly through the lack of functional Ca2+ signalling during early heterocyst differentiation or the release of Ca2+ ions due to the knockout of this Ca2+-binding protein. These results indicate a possible dual function of CSE as a Ca2+ buffer as well as a Ca2+ sensor protein.Syanobakteerit sitovat ilmakehän hiilidioksidia sokereiksi käyttämällä vettä ja auringonvaloa yhteyttämiseksi kutsutussa prosessissa. Sen lisäksi, että syanobakteerit yhteyttävinä primäärituottajina osallistuvat merkittävästi globaaliin biomassan tuotantoon, niillä on myös iso rooli maapallon typpikierrossa. Typen sitominen on rihmamaisten syanobakteerikantojen erityisominaisuus. Nämä syanobakteerit erottavat happea tuottavan yhteyttämisen ja hapettomat olosuhteet vaativan typen sitomisen tilallisesti käyttämällä vegetatiivisen kasvun soluja yhteyttämiseen ja heterokysteiksi kutsuttuja erikoistuneita soluja typen sitomiseen. Solunsisäistä hiilen ja typen välistä suhdelukua käytetään kuvaamaan syanobakteerisolujen yleistä kelpoisuutta, ja väitöskirjassani tutkin Ca2+-ionien vaikutusta näiden kahden alkuaineen aineenvaihduntatasapainon säätelymekanismeihin käyttämällä syanobakteerien yhteyttämisen ja typensidonnan mallieliöitä Anabaena (Nostoc) sp. PCC 7120 –syanobakteeria tutkimuskohteena. Ca2+-ionien rooli toissijaisina lähetteinä, entsyymien kofaktoreina ja kalvorakenteiden osina on hyvin tunnettu aitotumaisissa eliöissä ja soluissa, mutta esitumaisissa eliöissä, etenkin syanobakteereissa, Ca2+-ionien merkitystä on tutkittu verrattain vähän. Suuret Ca2+-pitoisuudet ovat tiettävästi haitallisia soluille, minkä takia vapaiden Ca2+-ionien konsentraatio on tarkasti säädelty Ca2+-kanavien ja - pumppujen, sekä Ca2+-ioneja sitovien proteiinien avulla. Tutkimuksessani havaitsin Ca2+-ionien vaikuttavan hiilen ja typen sisäänotosta vastaavien proteiinien geenien ekspressioon, minkä takia Ca2+ on tärkeä säätelytekijä solunsisäisen hiili-typpi - tasapainon säilyttämisessä. Löysin tutkimuksessani Anabaena -syanobakteerissa esiintyvän uudentyyppisen Ca2+-ioneja sitovan proteiinin (CSE). Kyseisen proteiinin toiminta on yhteydessä solun aineenvaihduntatasapainon ylläpitämiseen yhteyttämisen valoreaktioiden ja typen sitomisen välillä. CSE-proteiinissa on monia Ca2+-sensori-/säätelyproteiinin piirteitä, minkä takia CSE on todennäköisesti vuorovaikutuksessa toisten proteiinien kanssa solunsisäisen Ca2+-signaalin läsnä ollessa. CSE-proteiinin ylituotto haittasi yhteyttämisen elektroninsiirtoreaktiota, mahdollisesti vioittamalla fykobilisomien, syanobakteereille ominaisten valohaavien, kokoamisketjua tylakoidikalvostolla, sekä vaurioittamalla valoreaktio II:n dimeerimuotoisia proteiinikomplekseja. Sen sijaan Anabaena -kannat joista CSEproteiinin geeni oli poistettu, ilmensivät vakavasti häiriintynyttä heterokystien kehitystä ja rihmojen eheyttä. Nämä viat johtuivat mahdollisesti Ca2+-signaloinnin toiminnan häiriöistä heterokystien aikaisten kehitysvaiheiden aikana. Tulokseni osoittavat, että CSE-proteiinilla on kaksoisrooli Ca2+-puskurina ja Ca2+- sensoriproteiinina

Improving water use efficiency under worsening scarcity: Evidence from the Middle Olifants sub-basin in South Africa

With the political changes in South Africa in the early 1990s, the South African government introduced a reform process in the entire water sector with the goal of a more enhanced and equitable water management system. This paper analyzes existing water allocation situations and applies a nonlinear optimization model to investigate the optimal intra- and inter-regional allocations in the Middle Olifants sub-basin of South Africa. Results show higher benefit from inter-regional water allocation. Reducing water supply levels to conform to the sustainable water supply policy, it can be shown that although water supply is reduced by approximately 50%, total benefits from water are only reduced by 5% and 11% for inter- and intra-regional allocation regimes respectively. These results indicate that alternative water allocation mechanisms can serve as instruments to offset for the effects of water scarcity.Water allocation, IWRM, Olifants basin, South Africa, Africa, Resource /Energy Economics and Policy,

Regenwurmbestand in Fruchtfolgen mit ökologischer Bewirtschaftung

In einem ökologisch bewirtschafteten Langzeit-Feldversuch bei Freising in Oberbayern wurde nach 14 Jahren Laufzeit im Jahr 2012 die Individuendichte und Biomasse der Regenwürmer erhoben. Untersucht wurden sechs Fruchtfolgen, welche je zur Hälfte viehhaltende Systeme mit organischer Düngung und einer Abfuhr der oberirdischen Masse des Kleegrases sowie viehlose Systeme mit Mulchnutzung von Kleegras charakterisieren. Innerhalb der Fruchtfolgen führten die unterschiedlichen ackerbaulichen Bewirtschaftungsmaßnahmen zu Schwankungen in der Individuendichte der Regenwürmer. Der Anbau von Kleegras erwies sich, aufgrund der Reproduktion der Regenwürmer, als fördernde Vorfurcht. Eine Untersaat von Kleegras regte frühzeitiger als eine Blanksaat die Entwicklung der Regenwürmer und somit die biologische Aktivität im Boden an. Dagegen wirkte Kartoffelanbau aufgrund einer hohen Bodenbearbeitungsintensität eher hemmend auf die Entwicklung der Regenwürmer. Durch Mulchen von Kleegras kann der Regenwurmbestand gefördert werden. Zwischen den sechs Fruchtfolgen wurden im Mittel der beiden beprobten Kulturen Leguminose und Winterweizen keine gesicherten Unterschiede in der Individuenzahl und Biomasse der Regenwürmer festgestellt. Regenwurm fördernde und hemmende Bewirtschaftungsmaßnahmen scheinen sich in diesen Fruchtfolgen größtenteils auszugleichen

日本の大学のオンライン英語コースにおける課題文のピア・コメント化

本研究では，学習管理システムとビデオ会議システムを用いて，1年次の一般教養科目「ライティング」をプロセス・アプローチで学習しました。研究の中心となったのは，学習管理システムのブログツールに掲載される通常の宿題に学生がコメントする仕組みを導入したことです。このピア・コメントは，より伝統的な教師からのフィードバックやGrammarly ソフトウェアアプリケーションによる自動化されたフィードバックと組み合わされました。 3人の著者は，合計22グループの学生の指導に携わり，そのうち10グループを第一著者が担当しました。データ収集は，著者のうち2名が16のグループに対して，リッカート尺度による回答と自由形式の回答の両方を含むオンライン調査によって行いました。第一著者は，調査データを課題およびピア・コメントと三角測量しました。また，3人の著者は，学生のコメントをどのように授業に取り入れたか，またその革新性についての認識について議論しました。 データによると，ピア・コメントは教員と学生の双方から概ね肯定的に受け止められていることが分かりました。多くの生徒が読者を意識するようになり，文章やコメントを通じて互いにつながりを持ち，授業以外の時間にもコミュニケーションをとるようになりました。さらに，学生はよくできた課題から学び，互いに励まし合う方法を見つけることができました。しかし，LMS，学生，教師からのデータは，コメントが繰り返しになる可能性があることを示しており，コメントは，学生の反応を刺激する可能性が最も高い課題に的を絞る必要があることを示唆しています。In the study presented here, the researchers used a learning management system (LMS) and videoconferencing software to deliver a first-year general writing course, taught using a process approach. The innovation at the heart of the research was the introduction of students commenting on regular homework assignments posted on the blog tool of the LMS. This peer commenting was combined with more traditional teacher feedback and automated feedback via the Grammarly software application. The three authors were involved in teaching 22 groups of students in total, with the first author taking charge of 10 of those groups. Data were collected by two of the authors, covering 16 of the groups via an online survey involving both Likert scale answers and open-ended answers. The first author triangulated the survey data with assignments and peer comments. The three authors also discussed how they incorporated student commenting into their classes and their perceptions of the innovation. The data indicate that peer commenting was generally viewed positively by both teachers and students. Many students became much more reader-conscious, formed connections with each other through writing and commenting, and communicated outside taught sessions. In addition, students learned from well-written assignments, as well as finding ways to encourage each other. However, data from the LMS, students, and teachers indicate that commenting can become repetitive, with the implication that commenting should be targeted at assignments most likely to stimulate students’ interest to respond