Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2017

When does a diffusing particle reach its target or when does a stock on a financial market cross a certain value for the first time? These questions are at the heart of first passage time (FPT) theory of stochastic processes. In particular, this question is central to the kinetics of information transport in molecular biology: signalling in living biological cells is performed by diffusing single molecules which eventually reach a designated binding site to relay their encoded information. Most current theories attempt to quantify this signalling dynamics by average values of the associated FPT problem, i.e., so called mean FPT. As will be shown in this talk, the mean FPT is indeed an insufficient measure in many cases. Instead, the full distribution of FPT events is necessary for an appropriate understanding. In particular, the so-called few encounter limit will be introduced as a new concept tailored for the description of molecular signalling: it matters when the first molecule arrives at the binding site to trigger the information relay.

In this talk I will explain the behaviour of smooth FPT distributions in the finite volume of a biological cell. I will show that Poisson-like asymptotics with massively dissimilar arrival times indeed arise generically in the presence of an effective repulsion in the immediate vicinity of the target. However, a

a universal proximity effect is observed: direct reactive trajectories from the point of release of the signalling molecule to its target become typical and with a narrow spread of the corresponding FPTs. The initial distance to the target particularly impacts gene regulatory or other competitive stochastic processes, in line with results from bioinformatics, according to which critically communicating genes are typically close by in the genome, even in relatively small bacteria cells.

The universality of our proximity effect in the target search kinetics of signalling molecules in biological cells, operating in the few-encounter limit, thus enables temporal signal focusing and challenges traditional views of biochemical reactions in cells.

Kalt, stürmisch, unberührt: Antarktika ist ein Kontinent der Superlative. Er wird von einer massiven Eisdecke überzogen, die bei vollständigem Abschmelzen den Meeresspiegel insgesamt um 58 Meter steigen lassen würde. Bis zum heutigen Tag ist die komplexe Dynamik des antarktischen Eisschildes eine der größten Herausforderungen für Projektionen des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs.

Neueste Beobachtungen zeigen, dass ein Teil des westantarktischen Eisschildes sich rapide zurückzieht und dass dieser Rückzug vermutlich irreversibel ist. Andere Regionen sind derzeit durch sogenannte Eispfropfen geschützt, die das Einsetzen einer dynamischen Instabilität verhindern. Doch der anthropogene Klimawandel erhöht das Risiko, weitere Instabilitäten und dadurch langanhaltenden Eisabfluss aus den benachbarten Becken ins Meer auszulösen.

Ich werde die Prozesse, die hinter diesen Beobachtungen stehen, diskutieren - vom Einfluss verstärkten Schmelzens an der Unterseite der Eisschelfe über Änderungen im Schneefall bis zu selbstverstärkenden Mechanismen, die den Eisverlust beschleunigen. Mit Hilfe eines thermodynamisch gekoppelten Eisschildmodells können wir die Konsequenzen für den zukünftigen Anstieg des Meeresspiegels und die Stabilität der gesamten antarktischen Eisdecke untersuchen. Die Verbrennung aller verfügbaren Ressourcen fossiler Brennstoffe könnte langfristig zum vollständigen Abschmelzen des Eisschildes führen und einen in der Geschichte der Menschheit beispiellosen Anstieg des globalen Meeresspiegels verursachen.