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Neue Veröffentlichungen:
Entwicklung von Selektionsinstrumenten für Milchrinder und Schweine in heterogenen sozial-ökologischen Systemen mit Anwendungspotenzial für vom Aussterben bedrohte Rassen und kleinbäuerliche Betriebsstrukturen : Optimierung von Zuchtwertschätzverfahren für heterogene sozial-ökologische Systeme
(2023) Herold, Jonas
In den letzten Jahrzehnten lag der Fokus der Tierzuchtwissenschaften vordergründig auf der Verbesserung von Leistungsmerkmalen, gleichwohl entwickelt sich die Tierzucht kontinuierlich weiter. So orientiert sich die aktuelle Ausrichtung der Zuchtziele allgemein an den gesellschaftlichen Interessen für mehr Tierwohl und Nachhaltigkeit. Neben den für die Praxis direkt monetär bedeutenden Merkmalen, wie z.B. der Milchleistung, Milchinhaltsstoffen (Eiweiß, Fett), Mastleistung, Legeleistung etc., gewinnen in den vergangenen Jahren häufiger Merkmale, welche nur eine indirekte monetäre Bewertung haben oder aktuell noch gar keinen wirtschaftlich vergüteten Wert besitzen, an Bedeutung. Hierzu zählen Merkmale wie das Verhalten der Tiere, die Fleischqualität, die Robustheit, die Resistenz gegen Erkrankungen oder Hilfsmerkmale wie die somatische Zellzahl, Milchketonkörper (ß-Hydroxybutyrat, Aceton) oder Milchfettsäuren als Indikatoren für (Stoffwechsel-) Erkrankungen. Durch die Identifikation und Etablierung neuer Merkmale versucht die Tierzuchtwissenschaft ihren Beitrag für eine zukunftsfähige Landwirtschaft zu generieren. In der praktischen Zuchtarbeit sind aber vor allem die ausgewiesenen Zuchtwerte sowie deren Sicherheiten/Genauigkeiten für eine erfolgreiche Zucht entscheidend. Je früher der/dem Landwirt:in Zuchtwerte mit entsprechenden Sicherheiten/Genauigkeiten zur Verfügung stehen, desto effizienter kann sie/er Selektionsentscheidungen treffen. Innerhalb großer Populationen hat sich die genomische Selektion auf der Basis großer Lernstichproben mittlerweile etabliert, wodurch Zuchtwerte zwar anfänglich mit mäßigen Sicherheiten/Genauigkeiten, aber sehr früh zur Verfügung stehen.
Bedrohte Rassen bzw. kleine Populationen stehen hierbei vor einem Problem, da die Populationsstruktur meist nicht die notwendige Größe für die Lernstichprobe hergibt. Des Weiteren ist der finanzielle Aufwand der Genotypisierung meist recht groß. Speziell diese kleinen und z.T. bedrohten Rassen bilden jedoch das lebende genetische Back-up für die Tierzuchtwissenschaften, um in hochspezialisierte Rassen zukünftig neue Eigenschaften einkreuzen zu können und so den Marktanforderungen Genüge zu tun.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin für kleinstrukturierte Populationen, speziell bedrohte Rassen, die klassische pedigree-basierte Zuchtwertschätzung so zu optimieren, dass höhere Sicherheiten/Genauigkeiten für die Zuchtpraxis generiert werden und eine Rangierung von Genotypen innerhalb von Produktionssystemen (= Betriebstypen) ermöglicht wird.
Hierfür wurden zunächst 30 rinderhaltende Betriebe mit Deutschen Schwarzbunten Niederungsrindern (DSN) bzw. Holstein Friesian (HF) sowie 45 schweinehaltende Betriebe mit Bunten Bentheimer Schweinen (BB) anhand von sozio-ökologischen Kriterien charakterisiert. Basierend auf der Annahme, dass die phänotypische Leistung von Tieren durch Umwelt- und Betriebsfaktoren ähnlich wirtschaftender Betriebe in einem ähnlichen Umfang beeinflusst werden, werden verschiedene clusteranalytische Verfahren (agglomerative hierarchische Clusterung, Partitionierung um Medoiden, Fuzzy-Clusterung und Clusterung von Variablen kombiniert mit einer agglomerativen hierarchischen Clusterung) zur Identifikation von Ähnlichkeiten angewendet. Ziel ist es Betriebe mit vergleichbaren Eigenschaften innerhalb von Betriebstypen zu gruppieren. Sowohl in der Rinder- als auch der Schweinepopulation zeichnet sich die Clusterung von Variablen kombiniert mit einer agglomerativen hierarchischen Clusterung (CoVAHC) basierend auf der Silhouettenweite (= Evaluationskriterium) als die beste Methode zur Einteilung von Betrieben in Betriebstypen aus. Innerhalb des Rinderdatensatzes können vier Betriebstypen und im Schweinedatensatz drei Betriebstypen als Optimum identifiziert werden. Anhand der erfassten Merkmale lassen sich die Rinder-Betriebstypen differenzieren als „mittlere DSN-Betriebe mit dem Fokus auf Milchproduktion“, „kleine DSN-Betriebe mit geringer Intensität“, „Intensiv wirtschaftende DSN-Großbetriebe“ und „spezialisierte HF-Betriebe“. Der Fokus bei der Charakterisierung der schweinehaltenden Betriebe liegt vor allem auf deren Zuchtbestrebungen sowie dem Vermarktungspotential. Entsprechend können die Betriebstypen beschrieben werden als Betriebstypen mit geringer, mittlerer und hoher Zuchtaktivität bzw. mit geringem, mittlerem und hohem Vermarktungspotential. Die erfassten Produktions- und Fruchtbarkeitsmerkmale, die Gesundheitsindikatoren und die Fleisch- und Schlachtkörperqualitätsmerkmale zeigen überwiegend hochsignifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Betriebstypen der jeweiligen Spezies. Dies untermauert, dass eine Gruppierung der Betriebe in Betriebstypen sinnvoll sein kann.
Verglichen mit den separaten rassespezifischen Rechenläufen, können innerhalb der Rinderpopulation durch die Verwendung eines gemeinsamen Datensatzes (DSN und HF) unter Berücksichtigung eines Rasseneffektes in der Modellierung eineinhalb- bis dreifach höhere Sicherheiten sowie höhere Anpassungsgüten der Modellierung generiert werden.
Die unterschiedlichen Definitionen der Zeitgefährtengruppen (Betrieb, Betriebstyp, Kombinations- oder Nestungsvarianten aus beiden, sowie Kombination mit Testtag oder Testmonat) im Rinderdatensatz zeigen einen deutlichen Vorteil der Bildung von Zeitgefährtengruppen mittels Betriebstyp als Einzeleffekt in Kombination mit dem Testtag oder dem Testmonat. Insgesamt konnten so die höchsten Sicherheiten sowie Anpassungsgüten erzielt werden. Der Unterschied zwischen den beiden Kombinationseffekten Testtag bzw. Testmonat führt lediglich zu geringfügigen Unterschieden in den Evaluationskriterien.
Die Berechnung der genetisch-statistischen Parameter (Varianzkomponenten, Heritabilitäten sowie Zuchtwerte und deren Sicherheiten/Genauigkeiten) zeigen grundsätzlich eine Überlegenheit bei der Verwendung von Betriebstypen anstelle des Betriebseffekts in der Modellierung. So können bei den klassischen Merkmalen Steigerungen der Heritabilität bis zu 16 % (Proteinmenge; Testtag) bzw. 17 % (Proteinmenge; Testmonat) in der Rinderpopulation und bis zu 11 % (Leitfähigkeit) bzw. bei den in vivo erfassten Fleischqualitätsmerkmalen von bis zu 17 % gegenüber dem Modell mit Betriebseffekt in der Schweinepopulation ermittelt werden. Auch die Sicherheiten/Genauigkeiten der geschätzten Zuchtwerte können z.T. deutlich gesteigert werden. So sind für die Produktionsmerkmale Milch- und Proteinmenge Steigerungen der Sicherheiten zwischen 3,9 % (tägliche Milchmenge in der Gesamtpopulation unter Berücksichtigung des Testtages) und 9,8 % (tägliche Proteinmenge in der Bullenpopulation unter Berücksichtigung des Testmonats) bzw. in der Schweinepopulation merkmalsabhängig Steigerungen der Genauigkeiten von deutlich über 10 % bis zu 39 % (in vivo erfasster Rückenspeckdicke innerhalb der Eberpopulation) zu verzeichnen. Zwar können z.T. auch bei den funktionalen Merkmalen Erblichkeiten bzw. Sicherheiten/Genauigkeiten durch Verwendung der Betriebstypen verbessert werden, allerdings auf einem deutlich geringeren Niveau. Hierbei wirkt sich der geringe Datenumfang, die Beurteilungshäufigkeit sowie eine womöglich ungünstige Datenstruktur/-verteilung bei den Merkmalen Body-Condition-Score, Sauberkeit-Euter, Lahmheit, Methanausstoß (Rind) bzw. Verhalten, Fundament und Exterieur (Schwein) negativ auf die Schätzparameter aus. Nichtsdestotrotz können auch hier Steigerungen der Sicherheiten bis zu 2,4 % (Rind: lineare Modellierung, Sauberkeit-Euter, Testmonat, Gesamtpopulation) bzw. Steigerungen der Genauigkeiten bis zu 22,3 % (Schwein: lineare Modellierung, Fundament, Eberpopulation) erzielt werden. Allerdings kommt es durch den Betriebstypeneffekt auch bei einigen Merkmalen zu einer Verschlechterung genetischer Parameter, wie z.B. innerhalb des Rinderdatensatzes für das Merkmal Body-Condition-Score in Höhe von -0,6 % (lineare Modellierung, Testmonat) bzw. im Schweinedatensatz für das Merkmal Exterieur von -9,5 % (logistische Modellierung, Eberpopulation).
Innerhalb der Rinderpopulation ist zu erkennen, dass insbesondere, wenn wenig Töchterinformationen (< 15 Nachkommenleistungen) zur Verfügung stehen, der Betriebstypeneffekt deutliche Zunahmen der Sicherheiten ermöglicht (Milchmenge: bis 9,7 % (Testtag) bzw. bis 11,2 % (Testmonat)). Hingegen bewirkt die Berücksichtigung des Testmonats gegenüber dem Testtag lediglich geringfügige Steigerungen der Zuchtwertsicherheiten.
In den Vorüberlegungen zu dieser Arbeit wurde dahingehend argumentiert, dass die Verwendung von Betriebstypen in den genetisch-statistischen Modellierungen zu einer Reduktion der Restvarianz führt, jedoch kam es vielmehr zu einer Steigerung der additiv-genetischen Varianz. Anhand der Analyse der Populationsstruktur kann gezeigt werden, dass es durch die Nutzung der Betriebstypen grundsätzlich zu einer Erhöhung der Zahl der eingesetzten Bullen/Eber innerhalb der Betriebstypen gegenüber der einzelbetrieblichen Betrachtung kommt. Zudem erhöht reduziert sich der Anteil von Bullen/Ebern mit Nachkommeninformationen gegenüber den Bullen/Ebern im Pedigree, bei denen diese fehlen. Des Weiteren verringern sich die über die Betriebstypen gemittelten Inzucht- bzw. Verwandtschaftskoeffizienten gegenüber denen in Einzelbetrieben. Folglich bedingt der Betriebstypeneffekt eine gleichmäßigere Verteilung der Vatertiere, was letztlich zu einer höheren Schätzgenauigkeit führt.
Die ermittelten Genotyp-Umwelt-Interaktionen sowohl in der Rinder- als auch der Schweinepopulation zeigen deutlich, dass nicht jedes Tier an die jeweiligen Betriebstypen optimal angepasst ist. Dies bestätigt sich auch in den Rangierungsunterschieden der Topvererber. Hierbei zeigen sich basierend auf der Höhe der ermittelten Zuchtwerte z.T. erhebliche Platzverschiebungen der Vatertiere.
Mit der vorliegenden Untersuchung kann gezeigt werden, dass Modellierungen mittels Betriebstypen-Effekt denen mit Betriebseffekt sowohl in den kleinen Populationen (DSN und BB) als auch in großen Populationen (HF) in nahezu allen untersuchten Merkmalen überlegen sind.
Elucidation of the structure and biosynthetic pathways of dihydromenthofurolactones as highly potent aroma compounds of basidiomycetes
(2024) Brescia, Fabio Francesco
Increasing consumer rejection towards non-natural food ingredients is driving the global demand for natural food ingredients, including natural flavors. Many biocatalytic production processes are used in order to meet this demand, offering the advantage that, unlike many chemical syntheses, they often adhere to the principles of green chemistry. As fungi are known to be excellent biocatalysts harboring a broad enzymatic portfolio, research on their potential as natural flavor source is increasingly conducted.
The present work aimed to investigate the structure, biogenesis, and olfactory properties of a highly interesting group of aroma compounds, the bicyclic benzofuran derivatives. Cystostereum murrayi, a rarely occurring species found in the Black Forest National Park, was identified to de novo form derivatives of the above-mentioned compounds. Volatile compounds produced by the fungus in submerged culture were identified after aroma dilution analysis (ADA) using dynamic headspace extraction (DHS) after sensory evaluation of the culture supernatant. Among the perceived substances were two diastereoisomers of 3,6-dimethyl-2,3,3a,4,5,7a-hexahydrobenzofuran (dill ether). The identification of the three substances with the highest flavor dilution (FD) values was achieved after isolation using preparative HPLC by means of nuclear magnetic resonance (NMR) and high-resolution mass spectrometry (HR-MS). Hereby, the compounds were identified as two diastereoisomers of
3,6-dimethyl-3a,4,5,6,7,7a-hexahydro-3H-1-benzofuran-2-one, known as dihydromenthofurolactones (dml), as well as the C3-unsaturated analogue (Δ3-dml). Semiquantitative analyses revealed comparatively high concentrations of 8 mg L-1 (dml a), 22 mg L-1 (Δ3-dml), and 86 mg L-1 (dml c).
As the benzofuran derivatives studied within this work are chiral aroma compounds, their olfactory properties such as odor impression and threshold may differ depending on the investigated enantiomer. Employing chiral analyses by means of enantioselective multidimensional gas chromatography (MDGC) in comparison to authentic standards, either of natural origin or from chemical synthesis, revealed a stereospecific formation (enantiomeric ratio (er) >99.9:0.1) of the respective stereoisomer. Thereby, dill ether and dml differed in the orientation of the methyl group at the C3* position, at which Δ3-dml contains a double-bond. Noteworthy, the dill ether and lactones’ stereochemistry differs significantly at two positions within the tetrahydrofuran ring system, suggesting independent biosynthetic pathways. Indeed, supplementations studies using labeled and non-labeled potential terpenoid precursors suggested dill ether formation via p-menth-1-en-9-ol. The latter may thereby be formed as a biotransformation product of limonene, which, however, does not necessarily act as a precursor within the fungus. Analogous precursors could be excluded for the (Δ3)-dml.
The high FD value determined for dml a at comparatively low concentrations indicated a low odor threshold. For the determination, a novel approach by means of direct analysis via gas chromatography-olfactory (GC–O) in conjunction with a flame ionization detector (FID) was established. The determined odor threshold of 1.9 x 10-6 ng L-1 air represents one of the lowest thresholds known to date.
Additionally, the combination of aroma analysis data and bioinformatics allowed for the identification of an O-methyltransferase in Pleurotus sapidus, a close relative to the well-known oyster mushroom, involved in aroma biogenesis. The enzyme was heterologously expressed in Escherichia coli, crystallized, and enabled the transmethylation of both hydroxylated compounds and a thiol-nucleophile.
EMV-Untersuchungen für die Qualifizierung von elektrischen Orbitalantrieben für Satelliten
(2024) Rover, Yannik
Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Die Forschungsarbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) an Orbitalantrieben für Satelliten. Grundlage dieser Arbeit ist die voranschreitende kommerzielle Nutzung von elektrischen Raumfahrtantrieben. Hierfür steht ein Radiofrequenz-Ionentriebwerk (RIT) als Stellvertreter der elektrostatischen Triebwerke zur Verfügung. Veröffentlichungen in themenspezifischen Journalen dokumentieren die durchgeführten Arbeiten und zeigen die gewonnenen Erkenntnisse. Dabei handelt es sich um die Generierung und Erweiterung von Simulationsmodellen für das Triebwerk, inklusive Ionenstrahl, wie auch dessen Peripheriekomponenten. Weiterhin sind der Aufbau und die Inbetriebnahme einer halb-reflexionsfreien Absorberkammer mit Vakuumtank beschrieben. Diese Ausarbeitung dient der Einordnung und Zusammenfassung der veröffentlichten Beiträge, durch welche ein umfassendes Wissen innerhalb der Themenfelder entstanden ist und somit wiederum neue Arbeiten ermöglicht werden. Die Einflüsse auf die EMV eines Triebwerks, durch einen Radiofrequenz-Generator sowie einen Ionenstrahl, sind durch Simulationen nun vorhersagbar und werden in weiteren Schritten zusammengeführt, um ein umfassendes Modell zu erhalten. Die optimierte halb-reflexionsfreie Absorberkammer eliminiert die Schwächen bestehender, vergleichbarer Testeinrichtungen und ermöglicht aussagekräftige Analysen.
Mass spectrometric analysis of cell metabolism following parasitic infection
(2023) Anschütz, Nils Holger
Neospora caninum and Cryptosporidium parvum belong to the phylum Alveolata (Subphylum Apicomplexa) are two very widespread parasites. Cryptosporidiosis, caused by C. parvum, is a zoonosis. This is not the case with neosporosis, which is caused by N. caninum. However, there is growing concern that N. caninum may eventually become a threat to humans, as clinically manifest neosporosis has also been reported in two rhesus monkeys. Affecting more than 1 billion people worldwide, human cryptosporidiosis remains a neglected poverty-related disease (PRD) that can be fatal in already weakened patients, especially young children. N. caninum has a significant economic impact on the livestock industry as it is a major cause of reproductive disorders not only in cattle but also in other small ruminant species. The spread of both parasites and associated diseases is increasing due to climate change and the global movement of people and transport of goods. Both parasites have a demonstrable negative impact on people's quality of life and should therefore be the focus of scientific research. But there is still a lot of catching up to do, especially in the area of basic research in regard to the biomolecular composition of the two parasites and their influence on the metabolism of their hosts. This deficiency could be counteracted in this work.
The parasites were studied using matrix-assisted laser desorption/ionisation (MALDI) mass spectrometry (MS) combined with high performance liquid chromatography (HPLC). MALDI was used as MS and MS imaging (MSI) method. The MALDI experiments were performed using the SMALDI (scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionisation) ion source, which operates at atmospheric pressure. It is suitable for the analysis of complex 3D surfaces with a low sample amount requirement. MS instrumentation has improved considerably over recent years, allowing detailed mass analysis to determine compounds from their very precise molecular masses. It is possible to annotate and subsequently identify analytes. For the structural verification of the markers, HPLC-MS/MS experiments were combined with database search. Identifying molecular biomarkers of parasite-infected host cells and further elucidating their functions were among the main objectives of this study.
The statistically relevant biomarkers, with the focus on lipids, that were found by MS, annotated by database and identified by HPLC-MS/MS measurements, were also found and visualized with AP-SMALDI MSI in infected monolayers and host tissue. There is an overlap of the identified markers between N. caninum and C. parvum as well as between the two parasites and other parasites from the literature. PI (36:1) has been identified as a marker of host cell infection by N. caninum, C. parvum, T. gondii and B. besnoiti. Phosphatidylinositol is found in cell membranes and is essential for anchoring proteins to the membrane. They play a role in the transition of the parasite (T. gondii) between its stages (tachyzoites and bradyzoites). Overall, the present approach provides new metabolic insights into both diseases that have been neglected by science.
Sicherheitsempfinden in der spezialisierten ambulanten Palliativversorgung
(2023) Bezmenov, Alexandra
Hintergrund: Sicherheit kann als eines der wichtigsten menschlichen Grundbedürfnisse betrachtet werden. Die Patientensicherheit stellt neben der Effizienz und Patientenzentriertheit einen Grundpfeiler der Versorgungsqualität im Gesundheitswesen dar. Auch in der Palliativmedizin zeichnete sich in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung der Patientensicherheit ab. Neben der fehler- und schadensfreien Behandlung scheint aus Patientensicht vor allem die zwischenmenschliche Sicherheit mit emotionalen, sozialen und spirituellen Aspekten zunehmend im Vordergrund zu stehen. Bislang ist jedoch nur wenig über die Prävalenz, Einflussfaktoren und Auswirkungen eines beeinträchtigten Sicherheitsempfindens in der häuslichen Palliativversorgung bekannt.
Zielsetzung und Forschungsfragen: Die Zielsetzung der vorliegenden Studie besteht darin, einen patientenzentrierten Einblick in mögliche Problemfelder der Patienten hinsichtlich des Sicherheitsempfindens im häuslichen Umfeld zu gewinnen. Daraus ergeben sich folgende drei Forschungsfragen:
1. Wie hoch ist die Prävalenz eines beeinträchtigten Sicherheitsempfindens bei SAPV-Patienten?
2. Welchen Einfluss nehmen persönliche und krankheitsbezogene Faktoren auf Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheitsempfinden?
3. Inwieweit nimmt das geäußerte Sicherheitsempfinden einen Einfluss auf die weitere Versorgung der Patienten (Versorgungslänge, Ausschluss, Sterbeort, Überlebenszeit, Kontakte mit dem SAPV-Team, Hospitalisationen)?
Methodik: Es wurde eine explorative Querschnittsumfrage mittels standardisiertem Fragebogen unter SAPV-Patienten durchgeführt. Anhand logistischer Regressionsanalyse wurde die Höhe der Korrelation zwischen soziodemographischen und klinischen Merkmalen mit dem Sicherheitsempfinden ((eher) sicher vs. (eher) unsicher) ermittelt. Im zweiten Teil der Studie wurde anhand einer Follow-up-Analyse mithilfe nicht-parametrischer Tests (Chi-Squared-Test und Mann-Whitney-U-Test) untersucht, inwieweit signifikante Differenzen zwischen den Gruppen hinsichtlich ausgewählter Versorgungsaspekte bestehen.
Ergebnisse: Von insgesamt 646 potenziellen Studienteilnehmern erfüllten 235 Teilnehmer die Ein-schlusskriterien. Davon willigten 100 Patienten in die Studienteilnahme ein. Jeder fünfte Patient wies in der häuslichen Palliativversorgung ein beeinträchtigtes allgemeines Sicherheitsempfinden auf. Die separierte Betrachtung einzelner Sicherheitsdomänen konnte ein beeinträchtigtes Sicherheitsempfinden aufgrund eingeschränkter Mobilität (60 %), körperlicher Symptome (30 %), psychischer Symptome (26 %), Folgen der Therapie (19 %) und Problemen in der Bewältigung des Alltags (18 %) aufdecken. Diese fünf Sicherheitsdomänen wiesen einen signifikanten Zusammenhang zum allgemein beeinträchtigten Sicherheitsempfinden auf. Mit einer Zunahme palliativversorgungsbezogener Probleme (steigender IPOS-Score) reduzierte sich das Sicherheits-empfinden (OR 0,88, CI 0,82–0,94, p <0,05). Die Follow-up-Analyse zeigte, dass die Restlebensdauer bei Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheitsempfinden ver-gleichsweise signifikant kürzer war (Median 61.5 vs. 34.5 Tage, p <0,05).
Diskussion: Die Ergebnisse legen relevante Einschränkungen des Sicherheitsempfindens von SAPV-Patienten vor allem in physischen und psychischen Domänen nahe, was die hohe Relevanz des Themas „Patientensicherheit“ im häuslichen Umfeld unterstreicht. Vor allem direkte Auswirkungen der Erkrankung und Therapie scheinen das Sicherheitsempfinden der Patienten zu beeinflussen. Durch die vorliegenden Ergebnisse der Studie kann das SAPV-Team dafür sensibilisiert werden in welchen Domänen bei besonders vielen Patienten Sicherheitsbedenken bestehen. So können anhand der Vermittlung von Handlungssicherheit sowie der Wahrung der Autonomie des Patienten gemeinsam Strategien zur Stärkung des Sicherheitsempfindens erarbeitet werden. Weitere Studien sind notwendig, um die Frage nach der Ursache der signifikanten Verkürzung der Überlebenszeit bei Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheits-empfinden zu klären.