TY  - THES
A1  - Cardoso Barato, Andre
T1  - Nonequilibrium phase transitions and surface growth
T1  - Nicht-Gleichgewicht Phasenübergänge und Wachstumsprozesse
N2  - This thesis is concerned with the statistical physics of various systems far from thermal equilibrium, focusing on universal critical properties, scaling laws and the role of fluctuations. To this end we study several models which serve as paradigmatic examples, such as surface growth and non-equilibrium wetting as well as phase transitions into absorbing states. As a particular interesting example of a model with a non-conventional scaling behavior, we study a simplified model for pulsed laser deposition by rate equations and Monte Carlo simulations. We consider a set of equations, where islands are assumed to be point-like, as well as an improved one that takes the size of the islands into account. The first set of equations is solved exactly but its predictive power is restricted to the first few pulses. The improved set of equations is integrated numerically, is in excellent agreement with simulations, and fully accounts for the crossover from continuous to pulsed deposition. Moreover, we analyze the scaling of the nucleation density and show numerical results indicating that a previously observed logarithmic scaling does not apply. In order to understand the impact of boundaries on critical phenomena, we introduce particle models displaying a boundary-induced absorbing state phase transition. These are one-dimensional systems consisting of a single site (the boundary) where creation and annihilation of particles occur, while particles move diffusively in the bulk. We study different versions of these models and confirm that, except for one exactly solvable bosonic variant exhibiting a discontinuous transition with trivial exponents, all the others display a non-trivial behavior, with critical exponents differing from their mean-field values, representing a universality class. We show that these systems are related to a $(0+1)$-dimensional non-Markovian model, meaning that in nonequilibrium a phase transition can take place even in zero dimensions, if time long-range interactions are considered. We argue that these models constitute the simplest universality class of phase transition into an absorbing state, because the transition is induced by the dynamics of a single site. Moreover, this universality class has a simple field theory, corresponding to a zero dimensional limit of direct percolation with L{\'e}vy flights in time. Another boundary phenomena occurs if a nonequilibrium growing interface is exposed to a substrate, in this case a nonequilibrium wetting transition may take place. This transition can be studied through Langevin equations or discrete growth models. In the first case, the Kardar-Parisi-Zhang equation, which defines a very robust universality class for nonequilibrium moving interfaces, is combined with a soft-wall potential. While in the second, microscopic models, in the corresponding universality class, with evaporation and deposition of particles in the presence of hard-wall are studied. Equilibrium wetting is related to a particular case of the problem, corresponding to the Edwards-Wilkinson equation with a potential in the continuum approach or to the fulfillment of detailed balance in the microscopic models. In this thesis we present the analytical and numerical methods used to investigate the problem and the very rich behavior that is observed with them. The entropy production for a Markov process with a nonequilibrium stationary state is expected to give a quantitative measure of the distance form equilibrium. In the final chapter of this thesis, we consider a Kardar-Parisi-Zhang interface and investigate how entropy production varies with the interface velocity and its dependence on the interface slope, which are quantities that characterize how far the stationary state of the interface is away from equilibrium. We obtain results in agreement with the idea that the entropy production gives a measure of the distance from equilibrium. Moreover we use the same model to study fluctuation relations. The fluctuation relation is a symmetry in the large deviation function associated to the probability of the variation of entropy during a fixed time interval. We argue that the entropy and height are similar quantities within the model we consider and we calculate the Legendre transform of the large deviation function associated to the height for small systems. We observe that there is no fluctuation relation for the height, nevertheless its large deviation function is still symmetric.
N2  - Diese Dissertationsschrift befasst sich mit der statistischen Physik verschiedener Systeme fernab vom thermischen Gleichgewicht. Im Mittelpunkt stehen dabei die kritischen Eigenschaften, Skalierungsgesetze sowie die Rolle von Fluktuation. Dazu werden als paradigmatische Beispiele verschiedene Modellsysteme untersucht, unter anderem Wachstumsprozesse, Benetzungsphänomene fernab vom Gleichgewicht sowie Phasenübergänge in absorbierende Zustände. Als ein besonders interessantes Beispiel mit einem unkonventionellen Skalierungsverhalten wird zunächst ein Modell für gepulste Laserdeposition sowohl numerisch als auch mit Ratengleichungen untersucht. Wir betrachten dazu eine Approximation, das auf der Annahme punktförmiger Teilchen beruht, sowie ein verbessertes Gleichungssystem, das die Ausdehnung der deponierten Inseln mit berücksichtigt. Die numerisch integrierten Lösungen dieses verbesserten Systems stimmen mit den Simulationsresultaten hervorragend überein und reproduzieren ebenfalls den Crossover von kontinuierlicher zu gepulster Deposition. Darüber hinaus wird das Skalierungsverhalten der Nukleationsdichte im Detail untersucht und eine kürzlich eingeführte Hypothese logarithmischer Skalengesetze in Frage gestellt. Um den Einfluss von Randtermen auf kritische Phänomene unter Nichtgleichgewichtsbedingungen besser zu verstehen, wird ein Modell mit einem randinduzierten Phasenübergang eingeführt. Der Rand besteht aus hier einem einzigen Gitterplatz, an dem Teilchen erzeugt und vernichtet werden können, während die Teilchen im Innern des Systems lediglich diffundieren können. Es werden verschiedene Varianten dieses Modells untersucht, die mit Ausnahme einer bestimmten bosonischen Variante zu einer neuen Universalitätsklasse mit einem nichttrivialen kritischen Verhalten gehören. In der Arbeit wird gezeigt, dass diese Systeme effektiv auf ein 0+1-dimensionales Modell mit einer zeitlich nichtlokalen Dynamik reduziert werden können, dass also Phasenübergänge in nicht-Markovschen Nichtgleichgewichtssystemen sogar in 0 räumlichen Dimensionen, d.h. einem einzigen Punkt möglich sind. Es handelt sich wahrscheinlich um den einfachsten nichttrivialen Phasenübergang dieser Art, der formal dem nulldimensionalen Limes der sogenannten gerichteten Perkolation mit zeitlichen Levy-Flügen entspricht. Eine andere Art von Randeffekten tritt auf, wenn ein Wachstumsprozess fernab vom Gleichgewicht auf einem inerten Substrat stattfindet, wobei es zu einem Benetzungsphasenübergang kommen kann. Solche Systeme können anhand ihrer Langevin-Gleichung, z.B. der Kardar-Parisi-Zhang (KPZ)-Gleichung in einem geeigneten Potential, oder auf der Basis diskreter Wachstumsprozesse mit Deposition und Verdampfung von Teilchen auf einem Substrat untersucht werden. Benetzungsübergänge im thermischen Gleichgewicht stellen sich als Spezialfall heraus, der durch die Edwards-Wilkinson-Gleichung bzw. detaillierte Balance beschrieben wird. Die vorliegende Arbeit stellt analytische und numerische Methoden vor und demonstriert die reichhaltige Phänomenologie solcher Modelle. Das letzte Kapitel befasst sich mit der Rolle von Fluktuationen und der Entropieproduktion von Nichtgleichgewichtssystemen. Um zu überprüfen, ob sich die Entropieproduktion als ein Maß für den Abstand vom Gleichgewicht eignet, wird wiederum ein einfacher Wachstumsprozess untersucht, der diese Hypothese bestätigt. Das gleiche Modell wird benutzt, um verschiedene Fluktuationsrelationen zu testen, die auf Symmetrien in der Wahrscheinlichkeitsverteilung extremer Fluktionationen beruhen. Obwohl die Entropie und die Höhe der deponierten Schicht im stationären Zustand formal ähnliche Eigenschaften besitzen, gelingt es nicht, ein Fluktuationstheorem für die Höhenvariablen zu formulieren, obwohl die entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung symmetrisch ist. Dies legt den Schluss nahe, dass Fluktuationstheoreme grundsätzlich nur auf der Basis von Wahrscheinlichkeitsströmen konstruiert werden können.
KW  - Nichtgleichgewichtsstatistik
KW  - Phasenumwandlung
KW  - Wachstumsprozess
KW  - Wachstum an Oberflächen
KW  - Statistische Mechanik
KW  - Skalierungsgesetz
KW  - Nonequilibrium Statistical Physics
KW  - Surface growth
KW  - Wetting
KW  - Phase transitions into absorbing states
KW  - Scaling
KW  - Fluctuations
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50122
ER  - 
TY  - THES
A1  - Spaethe, Johannes
T1  - Sensory Ecology of Foraging in Bumblebees
T1  - Sensorische Ökologie bei Sammelnden Hummeln
N2  - Pollinating insects exhibit a complex behavior while foraging for nectar and pollen. Many studies have focused on ultimate mechanisms of this behavior, however, the sensory-perceptual processes that constrain such behavior have rarely been considered. In the present study I used bumblebees (Bombus terrestris), an important pollinating insect, to investigate possible sensory constraints on foraging behavior. Additionally, I survey inter-individual variation in the sensory capabilities and behavior of bumblebees caused by the pronounced size polymorphism among members of a single colony. In the first chapter I have focused on the sensory-perceptual processes that constrain the search for flowers. I measured search time for artificial flowers of various sizes and colors, a key variable defining the value of a prey type in optimal foraging theory. When flowers were large, search times correlate well with the color contrast of the targets with their green foliage-type background, as predicted by a model of color opponent coding using inputs from the bee's UV, blue, and green receptors. Targets which made poor color contrast with their backdrop, such as white, UV-reflecting ones, or red flowers, take longest to detect, even though brightness contrast with the background is pronounced. When searching for small targets, bumblebees change their strategy in several ways. They fly significantly slower and closer to the ground, so increasing the minimum detectable area subtended by an object on the ground. In addition they use a different neuronal channel for flower detection: instead of color contrast, they now employ only the green receptor signal for detection. I related these findings to temporal and spatial limitations of different neuronal channels involved in stimulus detection and recognition. Bumblebees do not only possess species-specific sensory capacities but they also exhibit inter-individual differences due to size. Therefore, in the next two chapters I have examined size-related effects on the visual and olfactory system of Bombus terrestris. Chapter two deals with the effect of scaling on eye architecture and spatial resolving power of workers. Foraging efficiency in bees is strongly affected by proficiency of detecting flowers. Both floral display size and bee spatial vision limit flower detection. In chapter one I have shown that search times for flowers strongly increases with decreasing floral display size. The second factor, bee spatial vision, is mainly limited by two properties of compound eyes: (a) the interommatidial angle Çå and (b) the ommatidial acceptance angle Çá. When a pollinator strives to increase the resolving power of its eyes, it is forced to increase both features simultaneously. Bumblebees show a large variation in body size. I found that larger workers with larger eyes possess more ommatidia and larger facet diameters. Large workers with twice the size of small workers (thorax width) have about 50 per cent more ommatidia, and a 1.5 fold enlarged facet diameter. In a behavioral test, large and small workers were trained to detect the presence of a colored stimulus in a Y-maze apparatus. The stimulus was associated with a sucrose reward and was presented in one arm, the other arm contained neither stimulus nor reward. The minimum visual angle a bee is able to detect was estimated by testing the bee at different stimuli sizes subtending angles between 30° and 3° on the bee’s eye. Minimum visual detection angles range from 3.4° to 7.0° among tested workers. Larger bumblebees are able to detect objects subtending smaller visual angles, i.e. they are able to detect smaller objects than their small conspecifics. Thus morphological and behavioral findings indicate an improved visual system in larger bees. Beside vision, olfaction is the most important sensory modality while foraging in bees. Bumblebees utilize species-specific odors for detecting and identifying nectar and pollen rich flowers. In chapter three I have investigated the olfactory system of Bombus terrestris and the effect of scaling on antennal olfactory sensilla and the first olfactory neuropil in the bumblebee brain, the antennal lobes. I found that the pronounced size polymorphism exhibited by bumblebees also effects their olfactory system. Sensilla number (I measured the most common olfactory sensilla type, s. placodea), sensilla density, volume of antennal lobe neuropil and volume of single identified glomeruli correlate significantly with worker’s size. The enlarged volume of the first olfactory neuropil in large individuals is caused by an increase in glomeruli volume and coarse neuropil volume. Additionally, beside an overall increase of brain volume with scaling I found that the olfactory neuropil increases disproportionately compared to a higher order neuropil, the central body. The data predict a higher odor sensitivity in larger bumblebee workers. In the last chapter I have addressed the question if scaling alters foraging behavior and rate in freely foraging bumblebees. I observed two freely foraging B. terrestris colonies and measured i) trip number, ii) trip time, iii) proportion of nectar trips, and iv) nectar foraging rate of different sized foragers. In all observation periods large foragers exhibit a significantly higher foraging rate than small foragers. None of the other three foraging parameters is affected by workers’ size. Thus, large foragers contribute disproportionately more to the current nectar influx of their colony. To summarize, this study shows that understanding the mechanisms of visual information processing and additionally comprising inter-individual differences of sensory capabilities is crucial to interpret foraging behavior of bees.
N2  - Blüten bestäubende Insekten zeigen während ihrer Suche nach Nektar und Pollen ein komplexes Sammelverhalten. Bisher wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt um die ultimaten Mechanismen dieses Verhaltens aufzuklären; jedoch die diesem Verhalten zugrundeliegenden sensorischen Leistungen und Limitierungen wurden dabei nur selten berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit habe ich das Sammelverhalten von Hummeln (Bombus terrestris) und potentielle, das Verhalten limitierende sensorischen Zwänge untersucht. Zusätzlich konnte ich Unterschiede im sensorischen System individueller Hummeln aufdecken, die durch den ausgeprägten Größenpolymorphismus dieser Tiere verursacht werden. Im ersten Kapitel habe ich die visuellen Prozesse, die die Suche nach Blüten limitieren betrachtet. Hierfür habe ich die Suchzeiten von Hummeln für künstliche Blüten verschiedener Größe und Farbe in einer Flugarena bestimmt. Bei großen Blüten korrelieren die gemessenen Suchzeiten mit dem Farbkontrast zwischen der Blüte und dem blatt-grünen Hintergrund. Bei Blüten mit geringem Farbkontrast benötigen die Tiere am längsten um sie zu detektieren, obwohl die Blüten einen starken Helligkeitskontrast aufweisen. Diese Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen eines Farbseh-Modells überein, das die Information von den UV-, Blau- und Grünrezeptoren der Hummel verrechnet. Bei der Suche nach kleinen Blüten allerdings ändern die Hummeln ihre Strategie. Sie fliegen jetzt signifikant langsamer und näher am Untergrund um dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, die Blüten zu detektieren. Zusätzlich benutzen die Hummeln einen anderen neuronalen Kanal für die Blütenerkennung: anstatt des Farbkontrastes nutzen sie jetzt nur noch die Informationen des Grünrezeptors, d.h. den Kontrast zwischen Blüte und Hintergrund, der durch den Grünrezeptor wahrgenommen wird. Ich konnte zeigen, dass der Wechsel zwischen den beiden neuronalen Kanälen durch zeitliche und räumliche Eigenschaften dieser Kanäle verursacht wird. Die sensorischen Leistungen einer Hummel sind nicht nur durch ihre Artzugehörigkeit festgelegt, sondern weisen beträchtliche Unterschiede zwischen großen und kleinen Tieren auf. In den nächsten zwei Kapiteln habe ich deshalb Größeneffekte auf das visuelle und olfaktorische System von Bombus terrestris untersucht. Im zweiten Kapitel beschäftige ich mich mit den Auswirkungen des Größenpolymorphismus auf die Augenmorphologie und das räumliche Auflösungsvermögen von Hummelarbeiterinnen. Das räumliche Auflösungsvermögen des Hummelauges wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: (a) dem Divergenzwinkel zwischen zwei Ommatidienachsen Çå, und (b) dem Öffnungswinkel eines Ommatidiums Çá. Beide Faktoren sind von der Zahl und dem Durchmesser der vorhandenen Ommatidien in einem Komplexauge beeinflußt. Ich konnte nachweisen, daß sich große und kleine Hummeln stark in der Zahl und dem Durchmesser ihrer Ommatidien unterscheiden. Große Hummeln mit der doppelten Thoraxbreite im Vergleich zu ihren kleinen Nestgenossinnen weisen 50 Prozent mehr Ommatidien und einen 1.5-fachen Linsendurchmesser auf. In einem Verhaltensversuch habe ich den kleinsten Sehwinkel, mit dem ein farbiges Objekt von einer Hummel noch erkannt werden kann bestimmt. Auch hier zeigte sich ein starker Größeneffekt. Um so größer die Hummel ist, um so kleiner ist der Sehwinkel unter dem sie ein Objekt gerade noch wahrnehmen kann. Sowohl morphologische Daten als auch Verhaltensdaten zeigen deutlich, dass größere Hummeln ein besseres visuelles System besitzen. Neben dem Sehen ist der Duft die wichtigste sensorische Modalität, die Hummeln während des Sammelns nutzen. Im nächsten Kapitel habe ich mich daher mit möglichen Größeneffekten auf das olfaktorische System beschäftigt. Ich konnte zeigen, daß die Zahl der wichtigsten olfaktorischen Sensillen auf der Antenne, Sensilla placodea, mit zunehmender Körpergröße ansteigt. Das erste olfaktorische Neuropil im Gehirn, die Antennalloben, skalieren ebenfalls mit der Körpergröße. Die Volumenzunahme des Neuropils ist auf eine Volumenzunahme der einzelnen Glomeruli und der Zahl der Interneurone zurückzuführen. Außerdem konnte ich nachweisen, daß das Volumen des olfaktorische Neuropils im Vergleich zu zentralen Hirnregionen überproportional zunimmt. Die Ergebnisse lassen eine höhere Sensitivität des olfaktorischen Systems bei großen Hummeln erwarten. Im letzten Kapitel habe ich mögliche Auswirkung der Körpergröße auf das Sammelverhalten von Hummeln unter natürlichen Bedingungen untersucht. Ein überlegenes visuelles und olfaktorisches System bei größeren Hummeln läßt eine bessere Blütenerkennung, und damit auch eine höhere Sammeleffizienz vermuten. Hierfür habe ich Nektarsammelraten von verschieden großen Tieren im Freiland bestimmt. Größere Tiere zeigen dabei eine höhere Sammelrate (Nektareintrag pro Zeit) im Vergleich zu ihren kleineren Nestgenossinnen. Größere Tiere tragen damit überproportional zum täglichen Nektarinflux einer Kolonie bei. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass das Sammelverhalten bei Blüten besuchenden Insekten nur dann richtig verstanden und interpretiert werden kann, wenn man die dem Sammeln zugrundeliegenden sensorischen Prozesse und mögliche individuelle Modifikationen kennt und mit einbezieht.
KW  - Hummeln
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Wahrnehmung
KW  - Hummel
KW  - Bombus terrestris
KW  - Sammelverhalten
KW  - Farbsehen
KW  - Olfaktorik
KW  - Größenvariation
KW  - Arbeitsteilung
KW  - Bumblebees
KW  - Bombus terrestris
KW  - Foraging
KW  - Behavior
KW  - Color Vision
KW  - Olfaction
KW  - Scaling
KW  - Division of Labor
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1179692
ER  -