Solving the Klein-Gordon equation using Fourier spectral methods: A benchmark test for computer performance

The cubic Klein-Gordon equation is a simple but non-trivial partial differential equation whose numerical solution has the main building blocks required for the solution of many other partial differential equations. In this study, the library 2DECOMP&FFT is used in a Fourier spectral scheme to solve the Klein-Gordon equation and strong scaling of the code is examined on thirteen different machines for a problem size of 512^3. The results are useful in assessing likely performance of other parallel fast Fourier transform based programs for solving partial differential equations. The problem is chosen to be large enough to solve on a workstation, yet also of interest to solve quickly on a supercomputer, in particular for parametric studies. Unlike other high performance computing benchmarks, for this problem size, the time to solution will not be improved by simply building a bigger supercomputer.Comment: 10 page

Die Bedeutung von MAGED2 für die Regulation von HIF-1α

Mutationen des MAGED2-Gens, welches für das gleichnamige Protein MAGED2 kodiert, verursachen bei Betroffenen das transiente antenatale Bartter-Syndrom, welches sich phänotypisch mit schwersten renalen Salzverlusten präsentiert, die zu massiver Polyurie und somit zum ausgeprägten Polyhydramnion führen. Die besondere Schwere dieser Erkrankung wird durch die hohe Frühgeburtlichkeitsrate und die hohe Mortalität deutlich. Im Unterschied zu den anderen Formen des Bartter-Syndroms zeigt diese Erkrankung einen transienten Charakter und die Symptome verschwinden einige Wochen nach der Geburt bzw. ab der 30. Schwangerschaftswoche. Der Zeitpunkt des Symptomendes überschneidet sich mit dem Zeitpunkt, ab dem HIF-1α, welches als Indikator für hypoxische Bedingungen gilt, nicht mehr in fetalen Nieren nachweisbar ist und somit von einem ausreichenden Sauerstoffangebot auszugehen ist. Es ist bekannt, dass MAGE-Proteine Zellen vor unterschiedlichen Stressoren schützen. Auf Basis dieses Wissens wurde folgende Hypothese zur Pathophysiologie des transienten antenatalen Bartter-Syndroms verfasst: MAGED2 ist für den Schutz und die Funktion der renalen Salztransportmechanismen unter hypoxischen Bedingungen essentiell. Die Beobachtungen, dass bei Mutationen von MAGED2 ein schnellerer Abbau von NKCC2 stattfindet und auch die Menge von NCC an der apikalen Tubulusmembran reduziert ist, unterstützen diese These. Der zugrundeliegende, detaillierte Pathomechanismus ist bisher nicht geklärt und die weitere Untersuchung Bestandteil dieser Arbeit. Aufgrund der Beobachtung, dass wt-MAGED2 mit Gαs interagiert, während diese Interaktion zwischen Gαs und mt-MAGED2 nicht nachweisbar ist, ist die Vermutung, dass diese Wechselwirkung wesentlich für die Adaptation der Zellen an hypoxische Bedingungen ist. Gαs wirkt stimulierend auf den cAMP/PKA-Signalweg, der wiederum für den Erhalt der Salztransportprozesse unter hypoxischen Bedingungen notwendig ist, da dieser unter anderem stabilisierend auf den Transkriptionsfaktor HIF-1α wirkt. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigten diese Annahme und machten eine reziproke Beeinflussung zwischen MAGED2, dem cAMP/PKA-Signalweg und HIF-1α deutlich, wobei Gαs als gemeinsame Schnittstelle agiert. Dabei kommt MAGED2 eine Schlüsselrolle zu, die insbesondere in Situationen, in denen die Zellen Hypoxie ausgesetzt sind, zum Tragen kommt. Durch die fehlende Interaktion von MAGED2 und Gαs bei Depletion bzw. Funktionsverlust von MAGED2 kommt es zur fehlregulierten Internalisierung von Gαs. Dies führt zu einer gestörten Aktivierung des cAMP/PKA-Signalwegs sowie einer unzureichenden Stabilisierung von HIF-1α. Um die Bedeutung des cAMP/PKA-Signalwegs und MAGED2 für die hypoxische Induktion von HIF-1α genauer zu untersuchen, wurde in weiteren Experimenten versucht, die beeinträchtigte HIF-1α-Induktion wiederherzustellen. Dabei kamen Isoproterenol und Forskolin zum Einsatz, wobei Ersteres upstream und Letzteres downstream von Gαs wirkt. Forskolin war in der Lage, die HIF-1α-Expression in den MAGED2-depletierten Zellen deutlich über die Kontrollwerte zu steigern, während die Exposition mit Isoproterenol keine erkennbare Wirkung zeigte. Um die beteiligte PKA-Isoform der beschriebenen Prozesse zu identifizieren, wurde der Einfluss zweier PKA-Inhibitoren untersucht. Die Ergebnisse machten deutlich, dass PKA-Isoform II an der Regulation von HIF-1α beteiligt ist. Interessanterweise konnte außerdem eine Erhöhung der MAGED2-mRNA und -Proteinexpression durch den Einfluss des cAMP-Mimetikums Forskolin unter Hypoxie beobachtet werden. Außerdem zeigte sich die Abhängigkeit der MAGED2-Proteinexpression von HIF-1α, was zusätzlich die Beobachtung der wechselseitigen Regulation von MAGED2 und HIF-1α unter hypoxischen Bedingungen unterstützt. Die dargestellten Ergebnisse erklären in Teilen die unzureichende Anpassung der MAGED2-depletierten Zellen an hypoxische Bedingungen. Bei Patienten mit der transienten Form des antenatalen Bartter-Syndroms macht sich die unzureichende Anpassung an hypoxische Bedingungen anhand des Zusammenbruchs der Salztransportprozesse während der hypoxischen Phase in der Fetalperiode bemerkbar, was zumindest in Teilen eine Erklärung für den transienten Charakter ist. Auf Grundlage der Ergebnisse ist es denkbar, dass Betroffene im Verlauf ihres Lebens erneut Phasen erleben, in denen die Salztransportmechanismen aufgrund von Hypoxie, beispielsweise bei Aufenthalt in großen Höhen oder bei entzündlichen Prozessen, nicht aufrechterhalten werden können. Die Schwere des Phänotyps lässt sich vermutlich nicht allein auf Grundlage der oben dargestellten Mechanismen erklären und bedarf ebenso wie die Erforschung möglicher Therapieoptionen beispielweise mit Forskolin weitere Untersuchungen. Neben der bedeutenden Rolle von MAGED2 für die beschriebene Erkrankung sollte MAGED2 auch im Zusammenhang mit anderen Krankheiten nicht vernachlässigt werden. So wird MAGED2 in vielen Tumoren überexprimiert. Im Zusammenhang mit unseren Ergebnissen ist eine Überlegung, dass MAGED2 in der Tumorgenese eine bedeutende Rolle für die Anpassung der Tumorzellen an hypoxische Bedingungen hat und somit zum Progress und Wachstum von Tumoren beiträgt. Somit sollte ebenfalls die Rolle von MAGED2 für die Tumorgenese erforscht werden und MAGED2 als Angriffspunkt neuer Therapieansätze in Betracht gezogen werden

30 Jahre Heimatforscherfortbildung in Niedersachsen. Bilanz und Ausblick

Regionale Forschung, besonders historische oder kulturhistorische Regionalforschung, wird häufig von sogenannten „Heimatforschern“ betrieben. In Niedersachsen geschieht dies in einer Vielzahl von unterschiedlichen Vereinen. Oftmals kennen die „Heimatforscher“ die Bestände von Archiven, haben Einblick in die private Überlieferung vor Ort und ein großes thematisches Fachwissen. Trotzdem gestaltet sich der Austausch sowohl von Seiten dieser versierten Laien als auch der universitären Regionalhistoriker oft als schwierig. Regional- und Lokalhistorisches Wissen geht dadurch zwangsläufig verloren. In Niedersachsen gibt es aber auch Erfahrungen anderer Art. Dort führte der Niedersächsische Heimatbund ab 1983 systematisch Fortbildungen für Heimatforscher durch. Sie führten von 1984–1995 zu einer Qualifizierung der Ehrenamtlichen und zu einem Austausch mit der universitären Wissenschaft. Neue Formate versuchen, an diese Arbeit anzuknüpfen, Wissenschaftler für die Bedeutung dieser Aufgabe zu sensibilisieren und neue, auch jüngere Zielgruppen für die Heimatforschung zu erschließen, die heute in Anbetracht sinkender Fördermittel wichtiger erscheinen denn je.There is a multitude of different non-profit associations in Lower Saxony that engage in researching local history. This large number of associations and the differences in their approaches towards local history renders collaboration of associations, individual private researchers and professional historians difficult. Without a systematic exchange of professional and non-professional research, local knowledge is eventually lost. Workshops and seminars for non-professional researchers addressed this issue between 1984 and 1995 in order to establish closer collaboration of Universities and private researchers and a more fruitful exchange of knowledge between the two. New formats of collaboration are now reviving this endeavour to sensitize scientists of the importance of this task and to develop new and younger audiences for local history since in the light of declining funding opportunities for this research field new citizen scientists seem to be more important than ever

Automated pathway and reaction prediction facilitates in silico identification of unknown metabolites in human cohort studies

Identification of metabolites in non-targeted metabolomics continues to be a bottleneck in metabolomics studies in large human cohorts. Unidentified metabolites frequently emerge in the results of association studies linking metabolite levels to, for example, clinical phenotypes. For further analyses these unknown metabolites must be identified. Current approaches utilize chemical information, such as spectral details and fragmentation characteristics to determine components of unknown metabolites. Here, we propose a systems biology model exploiting the internal correlation structure of metabolite levels in combination with existing biochemical and genetic information to characterize properties of unknown molecules. Levels of 758 metabolites (439 known, 319 unknown) in human blood samples of 2279 subjects were measured using a non-targeted metabolomics platform (LC-MS and GC-MS). We reconstructed the structure of biochemical pathways that are imprinted in these metabolomics data by building an empirical network model based on 1040 significant partial correlations between metabolites. We further added associations of these metabolites to 134 genes from genome-wide association studies as well as reactions and functional relations to genes from the public database Recon 2 to the network model. From the local neighborhood in the network, we were able to predict the pathway annotation of 180 unknown metabolites. Furthermore, we classified 100 pairs of known and unknown and 45 pairs of unknown metabolites to 21 types of reactions based on their mass differences. As a proof of concept, we then looked further into the special case of predicted dehydrogenation reactions leading us to the selection of 39 candidate molecules for 5 unknown metabolites. Finally, we could verify 2 of those candidates by applying LC-MS analyses of commercially available candidate substances. The formerly unknown metabolites X-13891 and X-13069 were shown to be 2-dodecendioic acid and 9-tetradecenoic acid, respectively. Our data-driven approach based on measured metabolite levels and genetic associations as well as information from public resources can be used alone or together with methods utilizing spectral patterns as a complementary, automated and powerful method to characterize unknown metabolites

Biological trait profiles discriminate between native and non-indigenous marine invertebrates

The increasing rate of marine invasions to Western Europe in recent decades highlights the importance of addressing the central questions of invasion biology: what allows an invader to be successful, and which species are likely to become invasive? Consensus is currently lacking regarding the key traits that determine invasiveness in marine species and the extent to which invasive and indigenous species differ in their trait compositions. This limits the ability to predict invasive potential. Here we propose a method based on trait profiles which can be used to predict non-indigenous species likely to cause the greatest impact and native species with a tendency for invasion. We compiled a database of 12 key biological and life history traits of 85 non-indigenous and 302 native marine invertebrate species from Western Europe. Using multivariate methods, we demonstrate that biological traits were able to discriminate between native and non-indigenous species with an accuracy of 78%. The main discriminant traits included body size, lifespan, fecundity, offspring protection, burrowing depth and, to a lesser extent, pelagic stage duration. Analysis revealed that the typical non-indigenous marine invertebrate is a mid-sized, long-lived, highly fecund suspension feeder which either broods its offspring or has a pelagic stage duration of 1–30 days, and is either attached-sessile or burrows to a depth of 5 cm. Biological traits were also able to predict native species classed as “potentially invasive” with an accuracy of 78%. Targeted surveillance and proactive management of invasive species requires accurate predictions of which species are likely to become invasive in the future. Our findings add to the growing evidence that non-indigenous species possess a greater affinity for certain traits. These traits are typically present in the profile of “potentially invasive” native species

Health-Related Physical Fitness and Arterial Stiffness in Childhood Cancer Survivors

Introduction: Despite decreasing mortality in pediatric oncology as a result of standardized treatment protocols, the high number of functional and cardiovascular late sequelae due to anticarcinogenic therapy remains unchanged. The aim of this study was to further assess functional limitations in Health-related Physical Fitness (HRPF) and cardiovascular risk by means of markers of arterial stiffness in Childhood Cancer Survivors (CCS).Materials and Methods: Between March 2016 and August 2017 a total of 92 CCS (Age 12.5 ± 4.2 years, 43 girls) were recruited from their routine follow-up outpatient visit. HRPF was assessed using five Fitnessgram® tasks. Pulse Wave Velocity (PWV) along with peripheral and central blood pressure were assessed using oscillometric measurements performed by Mobil-O-Graph. Z-scores were used to compare the test results either to German reference values or to a recent healthy reference cohort.Results: In CCS, the HRPF was significantly reduced (z-score: −0.28 ± 1.01, p = 0.011) as compared to healthy peers. The peripheral Systolic Blood Pressure (pSBP) was significantly increased (z-score: 0.31 ± 1.11, p = 0.017) and the peripheral Diastolic Blood Pressure (pDBP) was decreased (z-score: −0.30 ± 1.25, p = 0.040), resulting in an increased pulse pressure. The PWV (p = 0.649) and cSBP (p = 0.408), were neither increased nor showed any association to HRPF.Discussion: CCS showed functional limitations in HRPF and an increased pulse pressure, which acts as an early onset parameter of arterial stiffness. Both a low HRPF and impaired hemodynamics are independent cardiovascular risk factors and needs to be taken into consideration in tertiary prevention of CCS

On the Vanishing Displacement Current Limit for Time-Harmonic Maxwell Equations

This paper considers a transmission boundary-value problem for the time-harmonic Maxwell equations neglecting displacement currents which is frequently used for the numerical computation of eddy-currents. Across material boundaries the tangential components of the magnetic field H and the normal component of the magnetization müH are assumed to be continuous. this problem admits a hyperplane of solutions if the domains under consideration are multiply connected. Using integral equation methods and singular perturbation theory it is shown that this hyperplane contains a unique point which is the limit of the classical electromagnetic transmission boundary-value problem for vanishing displacement currents. Considering the convergence proof, a simple contructive criterion how to select this solution is immediately derived

Speaking the languages of citizenship

grantor: University of TorontoPluralist societies, particularly those whose pluralism is the result of recent waves of immigration, are faced with a central challenge: how to respect the diverse origins of their citizens while building up their commitment to a new home? A discussion of liberalism and communitarianism with their opposing views on the nature, the boundaries and the role of community will highlight some of the contentious issues involved in trying to find an answer. Language, however, is not often discussed as an important aspect of creating a sense of community. One of the few, exceptions is the work of Habermas on discourse and social change. Drawing on his theory, the focus of the thesis is turned to the discourses that are circulating in a real community faced with a redefinition of its communal identity: Ontario's francophone minority. With the arrival of significant numbers of African and Caribbean Francophones, the composition of francophones in Ontario is changing from a traditional minority of French Canadians to a diverse group of people, the foundation of whose sense of community is only beginning to emerge. As a result, not only is a long-standing minority faced with new questions of inclusion and exclusion, but also the Canadian state itself suddenly has to deal with the convergence of its traditionally separate policies of bilingualism and multiculturalism. Samples of discourse collected over a three-year period will be presented and analyzed to document the tensions in what might be called a 'community under review'. In a final step, both from a theoretical vantage point and based on the available empirical evidence, it will be argued that a new foundation for citizenship should be explored that goes beyond liberalism and communitarianism. Building on the concept of a discourse ethics, it is argued that discourse should be considered as more than just a medium for discussing community. The universal core of discourse, combined with its flexibility in responding to diverse manifestations of human communities, may provide the ethical foundation upon which pluralist societies can build a sense of deliberative democracy that binds its citizens to procedural standards without pre-empting concrete substantive decisions.Ph.D