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Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress, Teilprojekt C

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Pollen and environmental reconstruction, Holocene dynamics of tropical rainforest, climate, fire, human impact and land use in Sulawesi and Sumatra, Indonesia

The present-day configuration of Indonesia and SE Asia is the results of a long history of tectonic movements, volcanisms and global eustatic sea-level changes. Not indifferent to these dynamics, fauna and flora have been evolving and dispersing following a complicate pattern of continent-sea changes to form what are today defined as Sundaland and Wallacea biogeographical regions. The modern intraannual climate of Indonesia is generally described as tropical, seasonally wet with seasonal reversals of prevailing low-level winds (Asian-Australian monsoon). However at the interannual scale a range of influences operating over varying time scales affect the local climate in respect of temporal and spatial distribution of rainfall. Vegetation generally reflects climate and to simplify it is possible to distinguish three main ecological elements in the flora of Malaysia: everwet tropical, seasonally dry tropical (monsoon) and montane. Within those major ecological groups, a wide range of specific local conditions caused a complex biogeography which has and still attract the attention of botanists and biogeographers worldwide. Being one of the richest regions in the Worlds in terms of species endemism and biodiversity, Indonesia has recently gone through intensive transformation of previously rural/natural lands for intensive agriculture (oil palm, rubber, cocoa plantations and rice fields). Climate change represents an additional stress. Projected climate changes in the region include strengthening of monsoon circulation and increase in the frequency and magnitude of extreme rainfall and drought events. The ecological consequences of these scenarios are hard to predict. Within the context of sustainable management of conservation areas and agro-landscapes, Holocene palaeoecological and palynological studies provide a valuable contribution by showing how the natural vegetation present at the location has changed as a consequence of climate variability in the long-term (e.g. the Mid-Holocene moisture maximum, the modern ENSO onset, Little Ice Age etc.). The final aim of my PhD research is to compare the Holocene history of Jambi province and Central Sulawesi. In particular: - Reconstructing past vegetation, plant diversity and climate dynamics in the two study areas Jambi (Sumatra) and Lore Lindu National Park (Sulawesi) - Comparing the ecological responses of lowland monsoon swampy rainforest (Sumatra) and everwet montane rainforests (Sulawesi) to environmental variability (vulnerability/resilience) - Investigating the history of human impact on the landscape (shifting cultivation, slash and burn, crop cultivation, rubber and palm oil plantation) - Assessing the impact and role of droughts (El Niño) and fires - Adding a historical perspective to the evaluation of current and future changes.

Entdeckung und molekulare Charakterisierung neuer Loci/Gene, welche die Salztoleranz im Keimlings-, vegetativen und Reproduktionsstadium in zwei unterschiedlichen Gerstenkollektionen kontrollieren

Eine hohe Salzkonzentration im Boden führt bei Pflanzen unweigerlich zu schwerem Wassermangel. Vor dem Hintergrund des Klimawandels wird dies weltweit als eine große Bedrohung für die landwirtschaftliche Produktion angesehen. Klimamodelle sagen bis zum Jahr 2050 einen zunehmenden Druck der Salinität der Böden auf die landwirtschaftliche Produktivität voraus. Das Verständnis und die Nutzung der Toleranz von Pflanzen gegenüber hohen Salzkonzentrationen werden daher zu einer großen wissenschaftlichen Herausforderung. Die Verbesserung der Salztoleranz ist komplex, da sie als quantitatives Merkmal reguliert wird, an dem mehrere genetische Pfade gleichzeitig beteiligt sind. Die offensichtliche Auswirkung von Salzstress auf das Pflanzenwachstum und die Produktion besteht darin, dass die Pflanzenwurzeln Probleme haben, Wasser aufzunehmen, indem sie den osmotischen Stress in den Wurzelzellen und die Ionentoxizität (z. B. Na+) reduzieren. Gegenwärtig fehlt es an Wissen über die Auswirkungen des Salzgehalts auf die Regulierung des Primärstoffwechsels sowie über die molekularen Grundlagen bezüglich der Gene, welche zur Salztoleranz bei Nutzpflanzen beitragen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens möchte ich neue genetische und molekulare Wege zur Charakterisierung der Regulierung salztoleranzbezogener Merkmale im Keimlings-, vegetativen und Reproduktionsstadium in zwei hochdiversen Gerstenkollektionen entdecken und erklären. Meine Hypothese ist, dass die Identifizierung neuer Loci und Gene, die eine wichtige Rolle bei der Anpassung von Gerste an Salzstress spielen, Züchtungsprogramme zur Bewältigung des Klimawandels und die nachhaltige Produktion von Gerste und anderen Kulturpflanzen wie Weizen erheblich unterstützen wird. Um mein Forschungsziel zu erreichen, werde ich mich auf die Charakterisierung der weltweit sehr diversen Gerstensammlungen HEB-25 und der Intermedium-spike Gerstensammlung konzentrieren, um Eigenschaften zu untersuchen, die mit dem Pflanzenertrag unter Salzstress zusammenhängen. Der nächste Schritt besteht darin, die Sequenz der nützlichen Allele wilder Verwandter mithilfe von Genomeditierung in Elitegerste einzuführen. Dieser zweite Ansatz würde darin bestehen, alle Probleme außer Acht zu lassen, da das Kandidatengen für die Blütenentwicklung essentiell ist und ein vollständiger Knockout tödlich wäre. Ich werde diese Forschungsarbeiten an der sehr gut entwickelten und etablierten Professur für Pflanzenzüchtung der Universität Halle (MLU) durchführen, welche einen einzigartigen Ausgangspunkt für ein Forschungsnetzwerk zum Thema Salinitätsstress bietet, in Kooperation mit führenden Pflanzenwissenschaftlern der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der MLU und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK).

Ökologische Grundlagen des Waldwachstums, Auswirkungen extrem warmer und trockener Witterungsbedingungen auf das Wachstum von Fichten und Buchen entlang von Höhengradienten im Südschwarzwald

In dem Vorhaben werden die Auswirkungen extrem trocken-warmer Witterungsverhältnisse auf das Wachstum von Fichten und Buchen unter Berücksichtigung des Baumalters und des Standorts retrospektiv untersucht. Dazu werden im Südschwarzwald Untersuchungsbäume entlang von Höhengradienten jeweils auf einem Sommer- und einem Winterhang ausgewählt. Um Unterschiede in den chemischen und physikalischen Bodeneigenschaften gering zu halten sollen alle Untersuchungsstandorte einen ähnlichen Substratcharakter besitzen. Das jährliche bzw. periodische Höhen- und Dickenwachstum der Untersuchungsbäume wird mittels Stammanalyse retrospektiv erhoben. Die auf diese Weise gewonnenen Radial- und Höhenzuwachsreihen werden zur statistischen Analyse der Wachstumsreaktionen einzeln und in Kombination untersucht. Die zur Analyse der Zusammenhänge zwischen Witterung und Zuwachs notwendigen meteorologischen Messreihen von geeigneten Stationen aus dem amt-lichen Messnetz werden vom Deutschen Wetterdienst bezogen. Der Einfluss des Baumalters bzw. -entwicklungsstandes auf die Sensitivität und das Regenerationsvermögen bezüglich Trockenstress wird anhand des Vergleichs zwischen jüngeren und älteren Untersuchungs-bäumen analysiert. Aus der Kenntnis baumarten- und standortspezifischer Zuwachsreaktionen auf Trockenstress ergeben sich erweiterte Interpretationsmöglichkeiten für die räumliche Differenzierung der Gefährdung von Wäldern. Die Untersuchung der zeitlichen Dynamik des Klima-Zuwachs-Systems auf der Grundlage langfristiger dendrometrischer Messreihen gewinnt angesichts der rasanten Umweltveränderungen zunehmend an Bedeutung.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Die Relevanz von pH-Werten im Meerwasser und der Ozeanversauerung für das Massensterben im Unteren Jura und an der Perm-Trias-Grenze

Extreme Änderungen im System der Erde zeigen sich durch das Zusammentreffen von Massensterben mit tiefgreifenden Störungen im globalen Kohlenstoffzyklus. Solche Ereignisse werden häufig durch drastische Veränderungen im Klima oder in der Chemie der Meere verursacht, d.h. durch eine schnelle Erderwärmung, die Ausbreitung anoxischer Bedingungen auf die Schelfmeere und die Versauerung der Ozeane. Diese Prozesse haben eine katastrophale Auswirkung auf die Ökosysteme aller trophischen Ebenen und bilden wichtige Rückkopplungsmechanismen für die Funktionsweise des globalen Kohlenstoffkreislaufes ab. Um die Rolle der Ozeanversauerung für das Massensterben zu dokumentieren, sollen hochauflösende Bor-Isotopenprofile von umfassend charakterisierten marinen Karbonatgesteinen erstellt werden, welche exemplarisch die Biogeochemie zum Zeitpunkt bedeutender Ereignisse dokumentieren. Gegenstand der angestrebten Untersuchungen sind das größte Massensterben im Phanerozoikum, das Permisch-Triassische Ereignis und das Massensterben 2. Ordnung zum Zeitpunkt des bedeutenden ozeanisch anoxischen Ereignisses im Mesozoikum, im Unteren Jura (Pliensbachium/Toarcium). Dieses ermöglicht uns den pH-Wert des Meerwassers zu Beginn und während eines Massensterbens zu rekonstruieren, dessen Ursache vermutlich auch Ozeanversauerung war. Parallel dazu werden diese Proben von unseren Kollegen hinsichtlich ergänzender Proxydaten und biologischer Auswirkungen untersucht, um biogeochemische Schlüsselinformationen zu generieren, die es uns ermöglichen Hypothesen zu testen, die Massensterben mit drastischen Änderungen im pH-Wert des Meerwassers und einer Versauerung der Ozeane verbinden.

Nachhaltigkeitsbewertung der Bewässerungslandwirtschaft: Rebound-Effekte im halbtrockenen Usbekistan

Hauptziel des Projektantrages ist die Untersuchung der Nachhaltigkeit der Bewässerungslandwirtschaft in den semiariden Regionen Usbekistans durch die Bewertung neuer wassersparender Technologien und ihrer Rebound-Effekte mit Fokus auf Belastungen durch den Klimawandel. Das spezifische Ziel besteht darin, die Auswirkungen der Einführung wasser- und energiesparender Bewässerungstechnologien zu untersuchen und mögliche Rebound-Effekte zu quantifizieren. Die spezifischen Projektaktivitäten sind in vier Arbeitsprogramme gegliedert: (1) Bestandsaufnahme und vorbereitende Arbeiten - eine allgemeine Analyse der aktuellen Situation bei der Einführung von Bewässerungstechnologien und Auswahl von Fallstudien; (2) Dokumentation und Bewertung von wasser- und energiesparenden Technologien; (3) Untersuchung einer Ex-ante-Folgenabschätzung für ein nachhaltiges Wasser- und Energiemanagement, einschließlich möglicher Rebound-Effekte sowie Projektionen für die Zukunft mit Stakeholdern; (4) Synthese und Validierung der Ergebnisse der Folgenabschätzung und Identifizierung von Schlüsselfaktoren für ein nachhaltiges Management von wasser- und energiesparenden Technologien. Innovative Ansätze, wie die Fuzzy-set qualitative comparative analysis (fsQCA) und das Water Evaluation and Planning System (WEAP)-Modell, werden für die Kontextanalyse eingesetzt und mit einer gut etablierten partizipativen Folgenabschätzungsmethode kombiniert.Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird einen Beitrag zu den Zielen der Initiative "Grünes Zentralasien" leisten, insbesondere im Hinblick auf eine effizientere Wassernutzung und bessere technische Lösungen. Eine kürzlich von der usbekischen Regierung ergriffene Initiative - die Verabschiedung der Strategie zur Entwicklung der Wasserressourcen 2020-2030, die vorsieht, dass bis 2030 wassersparende Bewässerungstechnologien auf 2 Mio. ha (ca. 50 % der gesamten bewässerten Fläche) installiert werden sollen - wird die Landwirte wahrscheinlich dazu ermutigen, diese Technologien einzusetzen. Allerdings können diese Reformen auch zu einem Anstieg des Wasser- und Energieverbrauchs bei der Nahrungsmittelproduktion führen. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass Effizienzverbesserungen bei der Bewässerungswassernutzung mit Rebound-Effekten einhergehen können, d.h. mit Verhaltensänderungen bei Landwirten und Verbrauchern, die die erwarteten Ressourceneinsparungen ganz oder teilweise ausgleichen. Daher sollten die Forschungsergebnisse zum Ex-ante-Wasserverbrauch und zur Rehabilitierung und Erhaltung der Bodengesundheit in den Trockengebieten Usbekistans evidenzbasiertes Wissen über die beabsichtigte und tatsächliche Nachhaltigkeit von neu installierten wasser- und energiesparenden Technologien liefern.

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze

Wir wollen die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze, der größten biotischen Krise in der Erdgeschichte, verstehen. Trotz ihrer erheblichen Bedeutung für die Evolution des Lebens werden die auslösenden Mechanismen für diese Krise noch immer sehr kontrovers diskutiert. Dieses Massenaussterben ist das gravierendste vergangene Beispiel einer durch Klimaveränderungen, besonders durch globale Erwärmung, ausgelöste Krise. Sie kann daher als ein Analogon für die Reaktion der Biodiversität auf die zukünftige anthropogene Klimaänderung angesehen werden. Wir schlagen hier ein Forschungsprojekt vor, in welchem die Konsequenzen von Stress durch Erwärmung während des end-Permischen Massenaussterbens und der Erholung in der frühen Trias untersucht wird. Wir wählen die Ostracoden als Modell-Organismen für simultane Untersuchungen ihrer Evolutionsgeschichte und ihrer Reaktion auf Klimaveränderungen (besonders hinsichtlich der Erwärmung am Perm/Trias-Grenzintervall). Die zu untersuchenden Aufschlüsse liegen im Nordwest-Iran (Region von Julfa), Zentraliran (Region von Abadeh) und dem Zagros-Gebirge (Region von Esfahan); diese Regionen repräsentieren Tiefschelf- bis Flachwasser-Habitate. Unsere Studie wird die Untersuchung von Isotopengeochemie (Analysen von delta13C und delta18O) unter Anwendung der SIMS-Technologie von Ostracodenschalen beinhalten. Außerdem werden die Ostracoden-Vergesellschaftungen hinsichtlich ihrer taxonomischen Diversität, morphologischen Disparität, Grad des Endemismus, Veränderungen in der Größe der Individuen usw. untersucht.

From architecture to function: Elucidating the formation and structure of soil microaggregates - a key to understand organic carbon turnover in soils? - Archfunk; Elucidating the role of surface topography and properties for the formation and stability of soil nano- and micro-aggregates by atomic force microscopy

Formation and stability of soil micro-aggregates depend on the forces which are acting between the individual building blocks and in consequence on type, size and properties of the respective adjacent surfaces. While the interaction forces are the result of the superposition of short-range chemical forces and long-range van-der-Waals, electrostatic, magnetic dipole and capillary forces, the total contact surface is a function of the size, primary shape, roughness and larger-scale irregularities. By employ-ing atomic force microscopy (AFM), we will explore the role of topography, adhesion, elasticity and hardness for the formation of soil micro-aggregates and their stability against external stress. Special consideration will be put on the role of extracellular polymeric substances as glue between mineral particles and as a substance causing significant surface alteration. The objectives are to (i) identify and quantify the surface properties which control the stability of aggregates, (ii) to explain their for-mation and stability by the analysis of the interaction forces and contacting surface topography, and (iii) to link these results to the chemical information obtained by the bundle partners. Due to the spatial resolution available by AFM, we will provide information on the nano- to the (sub-)micron scale on tip-surface interactions as well as 'chemical' forces employing functionalized tips. Our mapping strategy is based on a hierarchic image acquisition approach which comprises the analysis of regions-of-interest of progressively smaller scales. Using classical and spatial statistics, the surface properties will be evaluated and the spatial patterns will be achieved. Spatial correlation will be used to match the AFM data with the chemical data obtained by the consortium. Upscaling is intended based on mathe-matical coarse graining approaches.

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