Preisträger 2018

Die Bachelorarbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Professionalisierung von Sozial- und Bildungspolitik in Bezug auf benachteiligte junge Menschen in Dresden. Gegenstand der Arbeit ist das JugendBeratungsCenter (JBC), mit dem die Stadt Dresden die politische Strategie der gezielten Förderung junger Menschen am Übergang von Schule zu Ausbildung und Beruf unter dem Leitsatz "Kein junger Mensch darf verloren gehen." umsetzt. Innovativ ist hier vor allem, dass die drei Institutionen Jugendamt, Arbeitsagentur und Jobcenter, die jeweils ganz eigenen gesetzlichen Logiken folgen (Sozialgesetzbuch II, III, VIII) gegenüber den Jugendlichen gemeinsam auftreten und diese in einer schwierigen Lebensphase zu unterstützen. Das JBC wurde 2016 gegründet und ausgehend von einem Praktikum in der Einrichtung konnte in dieser Bachelorarbeit die Zusammenarbeit der drei Institutionen evaluiert werden. Sowohl der Aspekt, dass eine Bachelor-Studentin ein konkretes Evaluationsvorhaben einer öffentlichen Dienstleistung, wissenschaftlich und methodisch aufgearbeitet hat und es von den Amtsleiterinnen des Jobcenters, der Agentur für Arbeit und des Jugendamtes Dresden in unveränderter Form in Auftrag gegeben wurde, ist exemplarisch für die Verbindung von theoretischen Kenntnissen des Studiums mit der Praxis. Des Weiteren zeigten sich die Leistungsträger der Stadt Dresden entwicklungsoffen, durch die generelle Entscheidung zur Evaluation der eigenen Leistung.

Die Arbeit basiert auf insgesamt 22 qualitativen Interviews die die Autorin mit Mitarbeiter_Innen der beteiligten Einrichtungen durchgeführt hat. Die Interviews wurden nach dem Verfahren der zusammenfassenden Inhaltsanalyse nach Mayring methodisch kontrolliert ausgewertet, so dass schließlich Handlungsempfehlungen abgeleitet werden konnten.

Die jungen Menschen in Dresden, die den Übergang von Schule, Beruf, Ausbildung und Studium bisher nicht aus eigenen Kräften bewältigen konnten, können von dieser Forschungsoffenheit profitieren, weil eine Versäulung der Leistungen erstmalig als Form einer Jugendberufsagentur in Dresden an der Krise der Orientierungslosigkeit der Klient_Innen anknüpfen will. Weitere Forschungen an dieser Entwicklungsaufgabe junger Menschen in Dresden, können bisherige blinde Flecken und fehlende Vernetzungen der Behörden, Politik und der Sozialen Arbeit auflösen und der Jugendarbeitslosigkeit konkret durch die Verbindung wissenschaftlicher Forschungen und strategischer Umsetzungen entgegenwirken.

Damit trägt die Bachelor-Arbeit zur konkreten Verbesserung einer wichtigen Schnittstelle zwischen Stadtverwaltung, Gesellschaft und vor allem benachteiligten Jugendlichen bei. Ideen aus der Arbeit wurden bereits umgesetzt und kommen so konkret jungen Dresdnern auf der Suche nach einem Ausbildungs- oder Arbeitsplatz entgegen.

Die vorliegende Bachelorarbeit verbindet sowohl theoretische Modelle zur Transition Schule, Beruf, Ausbildung und Studium als auch wissenschaftliche Theorien der empirischen Forschung in praktischer Anwendung durch die in Auftrag gegebene Evaluation des JugendBeratungsCenters Dresden (http://www.dresden.de/de/leben/gesellschaft/jugend/jugendberatungscenter.php). Die Forschungsfrage „Was brauchen junge Menschen, um zu sagen: Der Besuch beim JugendBeratungsCenter Dresden hat sich für mich gelohnt?“ führte nach der Prüfung explizierter und implizierter Ziele des Auftrages zu einer Splittung der Forschung in eine quantitative und qualitative Erhebung. Die Bachelorarbeit beinhaltet hierzu aufgrund des limitierten Umfangs eine Planung, Durchführung und Auswertung von 22 themenzentrierten Leitfadeninterviews unter dem Ziel der Erhebung offener Potentiale der Qualitätsentwicklung der Dienstleistung. Hierzu wurden Mitarbeiter_Innen auf operationaler und führender Ebene zu den Hintergründen des Zusammenschlusses der Leistungsträger Jobcenter, Agentur für Arbeit und Jugendamt Dresden befragt, zu der Struktur und Konzeption sowie möglichen Hindernissen und Herausforderungen in der Jugendberufsagentur von Dresden. Der Kernprozess wurde auf Basis der konzeptionellen Beschreibung auf seine Umsetzbarkeit im Vergleich zu den Aussagen der interviewten Personen geprüft.

Im Ergebnis wurde festgestellt, dass das JugendBeratungsCenter Dresden im Kernprozess bereits eine Umsetzung erfährt, die jungen Menschen eine Orientierungshilfe am Übergang Schule, Beruf, Ausbildung und Studium bieten kann. Eine Intensivierung der Öffentlichkeitsarbeit sollte durch die Erarbeitung einer Gehstruktur ergänzt werden, die sich an den Interessen der jungen Menschen ausrichtet. Nur so können junge Menschen erreicht werden, die sich den Behörden entzogen haben oder bisher vom System nicht erfasst werden konnten. Unter der Berücksichtigung der Milieus der Mediennutzung können erste neue interne Ansätze der kooperierenden Leistungsträger gefunden werden. Die Konzeption des JugendBeratungsCenter’s Dresden sollte fortgeschrieben werden, weil die Leistung keine Alterseinschränkung in der praktischen Umsetzung erfährt. Des Weiteren sind aktuell stattfindende, interne Workshops zielgerichteter zu organisieren und zurück zur Konzeption zu führen, weil viele Mitarbeiter_Innen den Mehrwert der Dienstleistung für sich noch nicht vollständig identifizieren konnten und in den Interviews oftmals keine bis wenig Aussagen zu den Inhalten der Konzeption des JugendBeratungsCenter’s Dresden treffen konnten. Der Auftrag der Evaluation zeigt den Willen der öffentlichen Leistungsträger zur qualitativen Weiterentwicklung und kann ein wichtiger Schritt einer entwicklungsoffenen Jugendpolitik in Dresden darstellen.

Vor dem Hintergrund der Ressourcenknappheit und der Schadstoffbelastung der Luft gewinnen alternative Mobilitätsformen an Bedeutung. Die Bundesregierung hat das Ziel bis 2022 einen Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen in Deutschland zu erreichen. Auch die Stadt Dresden beschäftigt sich mit dem Thema Elektromobilität: an zahlreichen Standorten werden unter dem Motto „Multimobil“ intermodale Mobilitätspunkte geschaffen, die unter anderem auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge und E-Carsharing-Fahrzeuge enthalten. Weiterhin beschäftigt sich das Projekt „Zukunftsstadt Dresden“ im Teilprojekt „TransVer“ mit der Entwicklung einer Strategie zur Schaffung einer verbrennungsmotorfreien Stadt.

Zu diesem Thema leistet die Masterarbeit einen wichtigen Beitrag. Unzugängliche oder defekte Ladesäulen stellen ein Hemmnis für die Verbreitung der Elektromobilität dar und haben eine starke negative Auswirkung auf die Fahrer von Elektrofahrzeugen. Demzufolge muss ein zuverlässiger Kundenserviceprozess für die wachsende Ladeinfrastruktur entwickelt werden. Da momentan 43 % der Ladeinfrastruktur durch Energieversorger betrieben werden, ist die Optimierung der Prozesse bei den Energieversorgern DREWAG und ENSO ein wichtiger Schritt, um regional eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten. Im Rahmen der Masterarbeit wurden die bestehenden Prozesse im Fall einer Störung aufgenommen, das Fehleraufkommen an den Ladesäulen in Dresden und Ostsachsen analysiert und die Annahmen mit statistischen Methoden überprüft. Dabei wurde ein breites Spektrum wissenschaftlicher Methoden eingesetzt, um anschließend eine umfassende und fundierte Optimierung vornehmen zu können. Die wissenschaftliche Grundlage und die Übertragbarkeit in praktische Konzepte, die einen Nutzen für den Kunden und die Region darstellen, standen dabei im Vordergrund.

Die Optimierungsmaßnahmen, die im Zuge der Masterarbeit erstellt wurden, werden momentan bereits bei DREWAG und ENSO umgesetzt, was den praktischen Nutzen der Arbeit verdeutlicht. Ein 24/7-Kundenservices wird auf Basis des Organisationsvorschlages ab Januar 2019 eingeführt, um Kunden auch an Wochenenden und Feiertagen sowie nachts bei einem erfolgreichen Ladevorgang zu unterstützen. Auch die Verbesserung der zur Verfügung gestellten Informationen wurden bereits auf den Websites implementiert. Damit konnte die Masterarbeit die Qualität des Kundenservice an den Ladesäulen in Dresden und Ostsachsen, gemessen an den Kriterien der Begleit- und Wirkungsforschung sowie des ADAC, verbessern und so einen Beitrag zur Kundenakzeptanz der Elektromobilität leisten. Die Arbeit unterstützt die Verbreitung der Elektromobilität in Dresden und gestaltet damit die Zukunft der Stadt mit. Durch die Verbesserung der Servicequalität wird Sachsen seinem Titel „Schaufensterregion Elektromobilität“ unter dem Thema „Elektromobilität verbindet“ gerecht und hat weiterhin Vorbildcharakter für andere Regionen. Die Etablierung von Kundenserviceprozessen zur Verbesserung der Ladevorgänge an den Ladesäulen ist ein überregionales Thema, das auch für andere Stadtwerke und Energieversorger an Bedeutung gewinnt. Im Rahmen eines Vortrags über die Masterarbeit bei den Stromnetzen Hamburg wurden Kooperationsmöglichkeiten aufgezeigt, die Eingang in den optimierten Prozess fanden.

Die Bundesregierung fördert den Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge bundesweit mit 300 Millionen Euro. Dieser Ausbau spiegelt sich auch in Ostsachsen wider. Eine Prognose rechnet bis 2020/2022 mit einem Anstieg der benötigten Ladepunkte im Netzgebiet der DREWAG und ENSO um ca. 730 % bis 1860 %. Zudem steigt die Komplexität beim Thema Elektromobilität durch eine zunehmende Anzahl beteiligter Akteure. Um die Kundenakzeptanz gegenüber der Elektromobilität zu erhöhen, muss der zuverlässige Kundenservice an den Ladesäulen sichergestellt werden. Ziel der Masterarbeit ist die Entwicklung eines geeigneten Kundenserviceprozesses für die ENSO NETZ, um bei einer wachsenden Ladeinfrastruktur und steigender Komplexität die Servicequalität zu verbessern. Zunächst wurde ein Rollenmodell der beteiligten Akteure beim Ladevorgang erstellt. Weiterhin wurde der Ist-Serviceprozess bei DREWAG und ENSO im Fall einer Störung beim Laden durch ein Interview sowie durch Dokumentenanalyse aufgenommen. Auf Basis der aufgezeichneten Ladevorgänge von fernüberwachten Ladesäulen und einer Prognose der TU Dresden über die zukünftige Entwicklung des Ladebedarfs in Sachsen wurde eine Prognose des Fehler- und Anrufaufkommens im Netzgebiet der DREWAG und ENSO erstellt. Zur Schwachstellenanalyse des bestehenden Prozesses wurde ein Ishikawa-Diagramm angefertigt. Die so identifizierten Fehlerursachen wurden durch eine logistische Regression mit verallgemeinerten Schätzgleichungen sowie eine Auswertung der erwarteten Ladevorgänge, Fehler und Anrufeingänge überprüft. Die Analyse zeigte, dass Handlungsbedarf bei der zeitlichen Verfügbarkeit des Kundenservice besteht. Die Abdeckung der Wochenenden sowie der Nacht gewinnt zukünftig an Bedeutung. Weiterhin treten häufig Fehler durch die Fehlbedienung der Ladesäulen durch den Kunden auf. Das Personal im 1st-Level-Kundenservice kann zudem bei technischen Problemen nicht weiterhelfen.

Zur Optimierung des Prozesses wurde eine Monte-Carlo-Simulation zum Vergleich verschiedener Rufbereitschaftsmodelle zur Abdeckung eines 24/7-Kundenservices unter Berücksichtigung verschiedener Rahmenbedingungen durchgeführt. Dabei erwies sich die Organisation mit Involvierung einer Einsatzleitstelle im 1st Level langfristig als am geeignetsten und im Kostenvergleich am günstigsten. Anruferanliegen, die während der Rufbereitschaft an das Fachpersonal im 2nd Level weitergeleitet werden müssen, wurden definiert. Auf Basis des Rollenmodells wurden die Kompetenzbereiche der Beteiligten am Kundenserviceprozess abgegrenzt. Weiterleitungen können dadurch gezielt an den verantwortlichen Ansprechpartner vorgenommen werden. Der 1st-Level-Support muss qualifiziert werden, einfache technische Probleme per Fernzugriff zu lösen. Weiterhin wurde ein Vergleich der öffentlich zur Verfügung gestellten Informationen zum Thema Elektromobilität von DREWAG und ENSO mit dem Best-Practice-Beispiel EnBW durchgeführt. Die daraus abgeleiteten Lücken in der Informationsbereitstellung wurden geschlossen durch die Aufbereitung von Informationen auf der Website zur Preistransparenz, zum Ladeablauf und zu den Zugangsmöglichkeiten sowie Informationen an der Ladesäule. Der barrierearme Zugang zu Informationen erleichtert die Bedienung der Ladesäulen und kann dadurch Fehler reduzieren sowie den Anteil der Anrufer, die Informationen zum Thema Elektromobilität suchen, senken.

Seit Jahrzehnten werden opto-elektronische Bauteile auf der Basis anorganischer Halbleiter realisiert. Neuere Entwicklungen in diesem Bereich bedienen sich auch organischer Materialien; exemplarisch hierfür steht die erfolgreiche Kommerzialisierung organischer Leuchtdioden (OLEDs). Darüber hinaus werden organische Halbleiter für ihre Eignung als optische Sensoren an wenigen wissenschaftlichen Standorten weltweit untersucht. An der TU Dresden und im Speziellen am IAPP besteht dazu eine wesentliche Kompetenz, die unterstützt durch die in der technischen Universität und der Stadt vorhandene Infrastruktur beste Voraussetzungen für derartige Forschungen bereitstellt. Die interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit an der TU Dresden sowie deren offene und kreative Arbeitsstrukturen bereiten den Boden für Forschungsvorhaben und deren erfolgreiche Umsetzung in Produkte.

Mit dem in der Promotion entwickelten Sensor ergeben sich neue Möglichkeiten der weiter voranschreitenden automatisierten Qualitätssicherung. Um die Qualität eines Erzeugnisses unmittelbar beurteilen zu können, bedarf es kostengünstiger spektroskopischer NIR-Sensoren. Konventionelle anorganische Bauteile erfüllen die beschriebene Funktion; deren hoher Preis verhindert jedoch ein weiteres Vordringen der Technologie in den Alltag sowohl der Industrie sowie der von Verbrauchern.

Im vergangenen Jahrzehnt hatten Wissenschaftler weltweit versucht, aus organischen Materialien dünne, flexible und kostengünstige Infrarotsensoren herzustellen. In der vorliegenden Arbeit gelingt es erstmals, organische Sensoren mit der erforderlichen spektralen Empfindlichkeit im NIR auszustatten.

Der neuartige Ansatz mit Elementen aus organischen Solarzellen und Lasern ist daher wegweisend und fand Niederschlag in einem erteilten Patent mit internationalem Schutz.

Auf dieser Basis lassen sich zahlreiche weitere Anwendungsfelder ableiten, die von Technologien im Bereich des Gesundheitswesens, der Landwirtschaft bis hin zur zukünftigen energie- und ressourceneffizienten Verarbeitung nachhaltiger Rohstoffe reichen.

In der wissenschaftlichen Community fand die Arbeit bereits großen Anklang und wurde mit der Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Nature Communications honoriert und seitdem vielfach zitiert. In zahlreichen Folgestudien unter meiner Beteiligung konnte die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Sensoren weiter verbessert werden.

Darüber hinaus entwickelte ich im Rahmen der Promotion eine Messmethode, die dem Wirkungsgrad der artverwandten organischen Solarzellen zu Gute kommt. Ziel dieser Arbeit war es, die ebenfalls in Dresden angesiedelte Ausgründung der TU Dresden „Heliatek“ zu unterstützen. Die Ergebnisse erschienen im namhaften Fachblatt Advanced Materials.

Für meine wissenschaftliche Arbeit nutzte ich die gute Vernetzung der TU Dresden mit internationalen Universitäten und Forschungseinrichtungen zur Evaluation der neuen Messmethode (St. Andrews, Schottland) sowie für einen Forschungsaufenthalt an der King Abdullah University of Science and Technology (Saudi-Arabien).

Mit einer Preisverleihung würde die Entwicklung des innovativen Sensors einer breiten industriellen Gemeinschaft, die ihren wirtschaftlichen Erfolg auf wissenschaftliche Entwicklungen setzt, bekannt werden. Mit einer Ausstrahlung in die Wissenschafts- und Wirtschaftsregion um Dresden könnte so eine Vervielfachung der Anwendungen ermöglicht werden, da daraus die Prinzipien des Messverfahrens bekannt würden und entsprechende Unternehmen diese für sich adaptieren könnten.

Sensoren für nahinfrarote (NIR) Strahlung sind leistungsstarke Werkzeuge zum kontaktlosen Bestimmen chemischer Zusammensetzungen – etwa in der Biomedizin, Landwirtschaft und vielen weiteren Fertigungsprozessen. Gegenüber konventionellen anorganischen Detektoren bieten neuartige Sensoren aus Organik zahlreiche Vorteile, beispielsweise in Hinblick auf Preis, Skalierbarkeit, Gewicht, Biegsamkeit und Transparenz. Bisher scheiterte die noch am Anfang stehende Technologie jedoch daran, die für die Anwendung erforderliche spektrale Empfindlichkeit im NIR-Bereich bereitzustellen. In der vorliegenden Dissertation wird eine innovative Detektorklasse vorgestellt, welche deutlich tiefer in den infraroten Bereich vordringt, als es bisherige Ansätze erlauben. Dafür wurden organische Materialien auf molekularer Ebene kombiniert. Neben der Absorption der einzelnen Komponenten wird durch die Kontaktflächen der Moleküle zusätzlich eine breitbandige NIR-Absorption bereitgestellt. Jene Absorption ist im Allgemeinen jedoch zu schwach, um sie ohne Spezialausrüstung zu detektieren. Erst durch die Einbettung der Mischschicht in eine Spiegelanordnung wird die Absorption innerhalb eines schmalen spektralen Intervalls verstärkt. Einfache Schichtdickenvariationen ermöglichen es, die Resonatorlänge und somit die Detektionswellenlänge rigoros durchzustimmen.

Ein speziell in diesem Rahmen entwickeltes Dünnschichtsystem erzielt eine beeindruckende spektrale Empfindlichkeit von 810nm bis 1550nm. Dieser Sensor ermöglicht es, eine Vielzahl funktioneller chemischer Gruppen anhand ihrer NIR-Absorption in Echtzeit zu unterscheiden. Für weiter optimierte Materialsysteme werden Detektionswellenlängen von bis zu 2000nm vorhergesagt. Zum Vergleich: Organische Sensoren nach bisherigem Ansatz erreichen nur selten Empfindlichkeiten oberhalb von 1000nm. Darüber hinaus wird in der Dissertation eine der besten spektralen Auflösungen erzielt, die für organische spektroskopische Sensoren bisher gemessen wurde.

Die den organischen Sensoren verwandten organischen Solarzellen befinden sich derzeit in einer kritischen Phase der Kommerzialisierung. Im Gegensatz zu ihren anorganischen Pendants sind diese leichter, flexibler, skalierbarer und deren Farbeindruck sowie Transparenz nach Belieben einstellbar. Bisher ist die aufstrebende Technologie jedoch durch eine kurze Reichweite des Exzitonentransportes gekennzeichnet, womit Effizienzverluste einhergehen. Um Absorbermaterialien mit größerer Exzitonen-Diffusionslänge und genügender Ladungsextraktion zu ermitteln, wurde in dieser Arbeit außerdem eine zuverlässige Messmethode entwickelt.

Can we disclose the “patent applications” filed by nature? Can we understand the physical mechanisms used by biological cells and tissues to perform vital functions such as motility, information processing, and self-assembly of functional structures?

In my habilitation thesis in theoretical biological physics, I target these questions at the interface of physics and biology. I could disclose novel mechanisms of flagellar synchronization and cellular navigation, as well as the self-assembly of the contractile machinery in muscle cells. For these results, we combined mathematical modeling, data-driven computer simulations and new algorithms for the analysis of experimental data, while working side-by-side with experimental collaboration partners.

In all three biological system studied, flagella, sperm cells, and myofibrils in muscle cells, there is one theme: simple local interaction rules give rise to complex dynamics in space and time at the scale of cells and tissues. Physical descriptions and quantitative modeling allow to understand this dynamics. Importantly, physics also enables us to unravel the principles that make this dynamics robust with respect to noise and parameter variations, which are ubiquitous at the microscopic scale of biological cells.

My theoretical work was conducted in close collaboration with a network of experimental collaboration partners in Dresden and abroad, and benefited from rapid iteration loops between theory and experiment. Experiments guided the development of the theoretical descriptions developed by my group, while theory predicted new experiments not yet thought of by the experimentalists. Together, we understood examples of self-organized dynamics in selected biological model systems. In the future, we will move step by step to increasingly more complex model organisms such as cilia carpets on airway epithelia, and eventually address alterations of biological processes in models of human diseases such as Duchenne myopathy.

In addition to our endeavor to understand physical principles of biological function, we also seek to apply them: At TU Dresden, I am a research group leader in the Biological Systems Path of the research cluster "Center for Advancing Electronics". There, we seek to transfer functional principles from biological systems to engineering applications: from the synchronization of flagella with noisy beat, we can learn new strategies to synchronize noisy electronic oscillators; from the study of transport networks in liver tissue, we can draw inspiration for resilient communication networks. Thus, my research conducted at the TU Dresden targets two of its Research Priority Areas: Health Sciences, Biomedicine and Bioengineering (e.g. cell motility and biological pattern formation), as well as Information Technology and Microelectronics (e.g. resilience of transport networks and synchronization of noisy oscillators). Moreover, my research integrates into the Dresden concept, as we pursue theory-experiment collaborations across department boundaries and with several partner institutes (e.g. MPI CBG, MPI PKS, IFW). Last but not least, my research addresses a core topic of the new cluster of excellence "Physics of Life", where I am one of 25 principal investigators.

Thereby, my research group seeks to contribute to a unique collaborative culture in Dresden, which has made Dresden one of the strongest research location for quantitative life sciences within Europe. I believe that our cross-disciplinary research approach can provide a model case on how one can successfully study living systems in a quantitative manner by using data-driven computer simulations and complexity-reduced models that highlight physical mechanisms. This approach will ultimately allow us to address the introductory question: "What are the physical mechanisms used by biological cells to function reliably in the presence of noise?"

How do single biological cells move, process information, and build regular functional structures? As a theoretical physicist working at the interface of physics and biology, I built mathematical models and data-driven computer simulations with the aim to understand these fundamental questions of life.

My habilitation thesis in theoretical biological physics addresses two central dynamical processes in cells and organisms: (i) active motility and motility control and (ii) self-organized pattern formation. The unifying theme is the nonlinear dynamics of biological function and its robustness in the presence of strong fluctuations, structural variations, and external perturbations.

We theoretically investigate motility control at the cellular scale, using cilia and flagella as model system. Cilia and flagella are slender cell appendages, e.g. of sperm cells and ciliated epithelial cells in our airways, which perform regular bending waves that are driven by the collective dynamics of molecular motors. We study the nonlinear dynamics of flagellar swimming, steering, and synchronization, which encompasses shape control of the flagellar beat by chemical signals and mechanical forces.

Mechanical forces can synchronize collections of flagella to beat with common frequency. This synchronization occurs in the absence of a central pace maker. We could disclose a novel physical mechanism for flagellar synchronization by mechanical self-stabilization in free-swimming cells. This new mechanism is independent of direct hydrodynamic interactions between flagella, in contrast to a previous consensus in the field. In a theory-experiment collaboration with Prof. Howard (Yale), we confirmed this new mechanism in a simple model organism, the unicellular green alga Chlamydomonas. Further, we performed the first direct measurements of active fluctuations of the flagellar beat, and showed that flagellar synchronization is robust against these non-equilibrium fluctuations.

In addition to the control of the flagellar beat by mechanical forces, we studied the control of the flagellar beat by chemical signals in the context of sperm chemotaxis. How do cells measure not just the absolute concentration of a chemical signal, but a concentration gradient, which allows them to actively swim to regions with higher concentrations? We address this question in the model system of sperm cells swimming towards the egg at the beginning of life, guided by chemical signals released by the egg. We could characterize a novel mechanism of gradient sensing that relies on stereotypical exploratory behavior by swimming along helical paths. This new navigation mechanism was confirmed quantitatively in invertebrate sperm cells by our experimental collaboration partner Prof. Kaupp (CAESAR, Bonn).

In addition to motility control, we investigated self-organized pattern formation in two selected biological systems at the cell and organism scale, respectively. On the cellular scale, we present a minimal physical mechanism for the spontaneous self-assembly of periodic cytoskeletal patterns, as observed in myofibrils. Myofibrils are the force-generating cytoskeletal structures in muscle cells that drive all our voluntary movements. The proposed self-assembly mechanisms relies on the interplay of chemical crosslinking of cytoskeletal filaments and active cytoskeletal forces.

On the organism scale, we addressed the remarkable scaling of the body plan of organisms proportional to their size. We formulated the first pattern formation mechanism that can autonomously adjust chemical patterns proportional to system size. This work extended Turing’s classical framework for self-organized pattern formation in reaction-diffusion systems. Our theory can explain the scaling of body plan in flatworms (experiments by Dr. Rink, MPI CBG Dresden).

Our theoretical descriptions of biological dynamics highlight how physical mechanisms orchestrate biological function and pattern formation.