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Highlights der Arbeit im Berichtszeitraum und Einordnung der bisherigen Arbeit im nationalen und internationalen Maßstab

Das Zentrum für Dynamik komplexer Systeme (DYKOS) ist sowohl in der Lehre als auch der Forschung angesiedelt und methodisch orientiert. Dabei steht die Entwicklung von Methoden zur Analyse und Modellierung komplexer Systeme in enger Verbindung mit für die Potsdamer Hochschul- und Forschungslandschaft typischen Anwendungen aus den Erd-, Kognitions- und Lebenswissenschaften im Mittelpunkt.

Die Fähigkeit zur Selbstorganisation ist ein entscheidendes Charakteristikum komplexer Systeme; das bedeutet insbesondere die Herausbildung vielfältiger komplexer Strukturen fernab vom einfachen Gleichgewicht, die beispielsweise bei Erdbeben, Klimavariationen, Zelldynamik, oder Sprachverarbeitung beobachtet werden. Derartige Phänomene lassen sich nur durch nichtlineare Modelle beschreiben, wobei die Komponenten untereinander rückgekoppelt verbunden sind. Da die Gleichungen dieser Modelle nicht einfach lösbar sind, ergibt sich die hoch-aktuelle Herausforderung für DYKOS, nichtlineare Methoden zur Analyse sowohl experimenteller Daten als auch der Modelle weiterzuentwickeln und die Reichweite sowie Prädiktionsglaubwürdigkeit von Modellen zu ermitteln. Daran wirken Arbeitsgruppen aus der Physik, Mathematik und Informatik der Universität Potsdam mit.

Entsprechend der Zielstellung des vorangegangenen Evaluationsberichts (2003) ist das Zentrum um den Schwerpunkt Theoretische Ökologie erweitert und erfolgreich bearbeitet worden. Unter den Schwerpunktthemen Nichtlineare geophysikalische Prozesse und Computational Neuroscience hat eine fruchtbare Arbeit stattgefunden. Dies belegen sowohl die sehr erfolgreiche aktive Mitwirkung in der DFG-Forschergruppe ,,Konfligierende Regeln`` , die Arbeit des Promotionskollegs ,, Computational Neuroscience of Behavioral and Cognitive Dynamics`` als auch die Arbeit des SFB 555. In der lezten Förderperiode ist zusätzlich der Schwerpunkt Bioinformatik-Systembiologie-Medizin herausgearbeitet worden.

Die DYKOS-Aktivitäten konzentrieren sich hauptsächlich auf folgende drei Felder:

A) Lehre - Ausbau interdisziplinärer Lehrveranstaltungen für das Hauptstudium und die Graduiertenausbildung

B) Forschung - Formen transdisziplinärer Arbeitsgruppen zur Einwerbung von Drittmittelprojekten und Begleitung bei deren Ausführung

C) Methodenbörse - Bereitstellen von Programmsystemen (Toolboxes) zur nichtlinearen Daten- und Modellanalyse und entsprechenden Nutzungshinweisen
(http://tocsy.agnld.uni-potsdam.de).



Im Berichtszeitraum sind folgende Ergebnisse besonders herauszustellen:

Zu A) Lehre

Die Bearbeitung obiger Schwerpunktthemen führte zu folgenden neuen interdisziplinären Lehrveranstaltungen.

A1) Als neuer Bestandteil von DYKOS werden - der Internationalisierung des Studiums Rechnung tragend - seit 2001 das Helmholtz-Instituts für Supercomputational Physics (AIP, PIK, MPI KGF, MPI AEI, Physik) und seit 2003 das Helmholtz Center for Mind and Brain Dynamics (Internationales Graduiertenkolleg, Promotionskolleg) aufgebaut. Bis 2006 organisierte das Helmholtz-Instituts für Supercomputational Physics eine Internationale Sommerschule für Graduierte zur effizienten Anwendung von Parallelrechnern auf aktuelle Probleme der Physik. Im Promotionskolleg liegt der Schwerpunkt auf der strukturierten Graduiertenausbildung und Forschung zu Fragen grundlegender kognitiver Prozesse und zum Verhalten (Lesen, Wort- und Sprachverständnis, Balancehalten, Gangverhalten). Das neuartige Konzept dieser Schule ist überaus erfolgreich.

A2) DYKOS wirkt intensiv bei der International Max-Planck-Research-School on Biomimetic Systems mit (MPI KGF, Chemie, Biologie, Physik). Bei diesem Graduierten-Programm werden jungen motivierten Kursteilnehmern sowohl die neuesten Forschungsresultate auf diesem Gebiet als auch der theoretische und experimentelle Hintergrund nahegebracht.

In mehreren Fächern findet unter wesentlicher Mitwirkung von DYKOS eine interdisziplinäre Ausbildung von Studenten, Diplomanden und Doktoranden statt: Der Umgang mit fehlerbehafteten und unvollständigen Daten in Geowissenschaften (Trauth & Scherbaum), Stochastische Prozesse und Stochastische Differentialgleichungen in der Erdsystem-Modellierung (Held, Edenhofer & Haas (PIK); Zaikin & Pikovsky), Rechenmethoden in der Geologie (Trauth & Kurths), Ereigniskorrelierte Potentiale & Neurophysik im Bereich Neuro-/Psycholinguistik (Saddy, beim Graben), Bioinformatik (Steuer, Schaub, Selbig, Kurths), Einführung in die theoretische Ökologie (B. Blasius, F. Jeltsch, G. Fussmann und A. Valeriani), Forschungspraktika zur Dynamik komplexer Systeme (Kurths & Schwarz).



Zu B) Forschung

B1) Die Computational Neuroscience wurde insbesondere im Rahmen der DFG-Forschergruppe ,,Konfligierende Regeln`` (2000-2006, Sprecher: J. Kurths, siehe http://www.ling.uni-potsdam.de/fg/) und im Rahmen
B2) des Promotionskollegs ,,Computational Neuroscience of Bahavioral and Cognitive Dynamics`` (siehe http://www.helmholtz-center.agnld.uni-potsdam.de/) zu einem Schwerpunkt von DYKOS entwickelt. In der Forschergruppe untersuchen Arbeitsgruppen aus Informatik, Linguistik, Physik und Psychologie mit nichtlinearen Methoden Konflikte im Sprachverstehensprozess, die durch unterschiedliche sprachliche Modalitäten und kognitive Strategien sowohl ausgelöst als auch korrigiert werden können. Im Promotionskolleg geht es um das Studium grundlegender kognitiver Prozesse und damit verbundener Verhaltensmuster. Aus dieser Arbeit heraus ist ein Antrag auf eine Forschergruppe ,, Computational Modeling of Bahavioral, Cognitive, and Neural Dynamics`` entwickelt und eingereicht worden.

Nichtlineare geophysikalische Prozesse werden in den größeren Drittmitteleinwerbungen B3-B7 interdisziplinär untersucht:

B3) Auf der Grundlage des HGF Impuls- und Vernetzungsfonds ein überregionales Virtuelles Institut: Pole - Equator - Pole (PEP, 2004-2007, siehe http://www.awi-potsdam.de/www-pot/atmo/pep/) zur Untersuchung der Variabilität atmosphärischer Spurenstoffe entlang einer Nord-Süd-Traverse, gegründet worden. Atmosphärische Transporte und Durchmischung spielen eine Schlüsselrolle bei der Verteilung von Ozon, Wasserdampf und Spurenstoffen im System Tropo- und Stratosphäre. Das Ziel dieses Teil-Projektes besteht darin, die horizontalen und vertikalen Austauschprozesse passiver Tracer wie Ozon und Aerosole zu analysieren, um ein besseres Verständnis für die Quantifizierung der Durchmischung unterschiedlicher Luftmassen zu bekommen.
In diesem überregionalen Institut arbeiten Wissenschaftler und Studenten der Universitäten und HGF-Zentren aus Bremen, Karlsruhe und Potsdam erfolgreich zusammen.

B4) Auf dem Gebiet der Geowissenschaften ist ein Graduiertenkolleg Shaping Earth's Surface in a Variable Environment Interactions between tectonics, climate and biosphere in the African-Asian monsoonal region eingeworben worden (siehe http://www.geo.uni-potsdam.de/Graduiertenkolleg/) an dem Zentrumsangehörige maßgeblich beteiligt sind.

B5) In der nach sehr positiver Evaluierung verlängerten Bewilligung des Sonderforschungsbereich (SFB) 555 ,,Komplexe nichtlineare Prozesse`` (1998-2007, Sprecher: L. Schimansky-Geier, Humboldt-Univ. Berlin, stellv. Sprecher: J. Kurths, Univ. Potsdam) arbeiten Potsdamer Wissenschaftler (Physik, Mathematik und PIK) auf dem Gebiet der Klimadynamik und der Modellierung von Erdbeben zusammen. Ein Verländerungsantrag ist Vorbereitung.

B6) Im Rahmen eines DFG-Paket-Antrags ,,Modellierung und Analyse von Erdbebenschwärmen`` (2001-2004, Geowissenschaften, Physik) geht es um die Analyse und den Vergleich von beobachteter und modellierter Erdbeben-Schwarmtätigkeit im Vogtland im Hinblick auf die Ausbildung von Raum-Zeit-Mustern bei Erdbeben und deren Konsequenzen für die Gefährdungsanalyse. Das Thema ,,Dynamic Earth`` wird Schwerpunktsthema bei dem kommenden Exzellenzclusterantrag, der von FU Berlin zusammen mit der Universität Potsdam gestellt wird, sein.

B7) Das ASOS EU-Projekt ,,EARLINET - A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology`` (2006-2011, Böckmann, Mathematik, siehe http://www.earlinet.org) besteht in der Schaffung einer Datenbank der horizontalen, vertikalen und zeitlichen Verteilung der Aerosole auf einer kontinentalen Skala und der mathematischen Analyse dieser Daten.

B8) Fragen zur Systembiologie/Medizin werden in den folgenden Drittmitteleinwerbungen interdisziplinär untersucht: EU-Network of Excellence BIOSIM: Biosimulation - A New Tool in Drug Development (2004-2009), EU-Projekt BRACCIA: Brain Respiration and Cardiac Causalities in Anaesthesia (2005-2008), BMBF-Projekt zur Systembiologie FORSYS (Forschungseinheiten der Systembiologie, 2007-20011) und DFG-Projekten zum ``Erweiterten Monitoring nach Herzoperationen'' und zur ``Kardiovaskulären Regulation während des humanen Schlafes''.

B9) Für die Methodenentwicklung sind im Berichtszeitraum zwei neue größere Initiativen unter Potsdamer Federführung bearbeitet worden: Das DFG-Schwerpunktprogramm 1114 ,,Mathematische Methoden der Zeitreihenanalyse und digitalen Bildverarbeitung`` (2001-2007, Physik und Mathematik), in dem neue methodische Ansätze erarbeitet, auf gemessene Daten angewandt und im Methodenvergleich kritisch bewertet werden, und das EU-Research- and Training-Network ,,Control and Synchronization of Spatially Extended Nonlinear Systems`` (2000-2004, Koordinator: J. Kurths) in dem theoretisch und experimentell komplexe Strukturbildungen studiert werden.

B10) Die nach hartem Wettbewerb an der Universität Potsdam eingerichtete Nachwuchsgruppe der VW-Stiftung ,,Raum-zeitliche Synchronisierung in Ökosystemen`` (2000-2007, B. Blasius) bildet die Grundlage für den Aufbau eines weiteren Schwerpunkts in DYKOS (Biologie, Physik). In diesem Schwerpunkt Theoretische Ökologie werden moderne mathematische Modellierungsmethoden der nichtlinearen Dynamik für das Studium komplexer, natürlicher Systeme herangezogen. Von besonderem Interesse ist dabei die komplexe Synchronisierung, die zwischen kleinen lokalen Subsystemen entsteht und sich in der Organisation ganzer Ökosysteme fortsetzt. Solche Synchronisierungsphänomene können typischerweise in Räuber-Beute-Systemen auftreten und spielen eine grundlegende Rolle bei der Regulierung existenzbedrohter Arten, bei der Bekämpfung und Ausbreitung von Epidemien und für das Design von Naturschutzreservaten.



Zu C) Methodenbörse

DYKOS stellt Toolboxes zur nichtlinearen Datenanalyse (Cross-Recurrence-Plots, Synchronisation, Symbolische Kodierung, Waveletanalyse) und Modellierung (Systemidentifikation, Bifurkationsanalyse) komplexer Systeme bereit und organisiert deren Handhabung (http://tocsy.agnld.uni-potsdam.de).

Weitere Highlights

Die Liste von Humboldt-Forschungspreisträgern und -Stipendiaten bei DYKOS ist ein wichtiger Ausweis für die internationale Attraktivität des Zentrums: V. Anishchenko (Saratov, Russland), (zweiter Humboldt-Forschungspreisträger am DYKOS); L. Bunimovich (USA); C. Zhou (China); I. Tokuda (Japan); M. Baptista (Brasilien); Darüber hinaus haben D. Armbruster (Arizona, USA), L. Esposito (Colorado, USA), G. Osipov (Nizhny Novgorod), M. Hasler (Lausanne, Schweiz) und D. Gauthier (Duke, USA) ihr Sabbatical am DYKOS verbracht.

Besonders hervorzuheben sind folgende Preise, mit denen Nachwuchswissenschaftler und Wissenschaftler des Zentrums ausgezeichnet wurden:
1) M. Abel: Karl-Scheel-Preis 2004 der Physikalischen Gesellschaft
2) N. Wessel, C. Raab & J. Kurths: Computers in Cardiology Challenge 2005
3) J. Kurths: Humboldt-CSIR-Forschungspreis 2005
4) E. Ullner: Feodor-Lynen-Forschungsstipendium 2006

Im Berichtszeitraum sind u.a. folgende Zentrumsangehörige zu Professoren ernannt worden: Blasius (W3 in Oldenburg), Engbert (Juniorprofessor UP), Krivov (W2 Jena), Thiel (Lecturer Aberdeen), H. Voss (Ass Professor Cornell Uni, New York), Fußmann (Ass Professor McGill University, Kanada) und Zaikin (Lecturer Exeter).

Einen besonderen Höhepunkt stellte die Organisation der ,,13th International IEEE Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems (NDES)``
(http://www.agnld.uni-potsdam.de/~ndes2005/index.html) im September 2005 an der Universität Potsdam dar. An dieser mehr als 150 Wissenschaftler aus 25 Ländern teil. Einen Schwerpunkt der Konferenz bilden Netzwerke von dynamischen Systemen.


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Udo Schwarz 2006-08-18