Farbsehen – Reizverarbeitung in der Netzhaut

Hallo, mein Name ist Kerstin. In diesem Video lernst du, warum wir Farben sehen können und wie die Reizverarbeitung in der Netzhaut abläuft.

Dazu solltest du bereits wissen, wie die Netzhaut aufgebaut ist und wie die unterschiedlichen Zellen miteinander verschaltet sind. Zudem solltest du die Begriffe Absorption und Absorptionsmaximum kennen.

Ich werde dir zwei Theorien zum Farbsehen aus dem 19. Jahrhundert vorstellen. Außerdem lernst du die verschiedenen Zapfentypen kennen, die für das Farbsehen verantwortlich sind. Am Ende werde ich dir erklären, wann wir keine Farben sehen und warum nachts sprichwörtlich alle Katzen grau sind.

Los geht’s!

Bereits Isaac Newton machte sich 1703 Gedanken über Farben und Farbsehen. Er kam zu der Erkenntnis, dass es sich bei Farbe nicht um eine physikalische Eigenschaft von Licht handelt.

Unterschiedlich farbiges Licht unterscheidet sich in seiner Brechbarkeit. Die Farbe entsteht aber erst bei der Verarbeitung des Lichtreizes im Gehirn.

Hermann von Helmholtz stellte die Theorie auf, dass drei farbige Lichtquellen genügen, um alle übrigen Farben durch verschiedene Kombination zu erhalten. Als Beleg dafür gilt die additive Farbmischung: legt man rotes, grünes und blaues Licht übereinander, so sieht man weißes Licht. Helmholtz ging deshalb davon aus, dass der Mensch drei verschiedene Sensorentypen in der Netzhaut hat. Ob er damit Recht hatte, werden wir später im Video sehen.

Etwa 20 Jahre später stellte Ewald Hering seine Theorie der Gegenfarben auf. Die meisten Menschen empfinden die Farben Rot, Grün, Gelb und Blau als besonders rein. Hering hatte beobachtet, dass man sich jedoch Farbeindrücke wie “gelbliches Blau” oder “rötliches Grün” nicht vorstellen kann. Bei den Farbpaaren Gelb/Blau und Rot/Grün handelt es sich demnach um Gegenfarben, die sich gegenseitig ausschließen. Als zwei weitere Gegenfarben bestimmte er Schwarz und Weiß. Hering ging davon aus, dass diese gegensätzlichen Farbpaare eine wichtige Rolle für die Farbwahrnehmung in der Netzhaut spielen.

Mit der Gegenfarbentheorie war es Hering möglich, das Phänomen der Nachbilder zu erklären. Ein Nachbild entsteht, wenn man ein farbiges Bild eine Weile fixiert und dann auf eine weiße Fläche sieht. Das probieren wir jetzt aus. Fixiere für etwa 20 Sekunden den Mittelpunkt dieses Quadrates. (20 sek. Pause) Nun schaue auf den Mittelpunkt des weißen Quadrates. Was siehst du? Genau, man sieht wieder vier farbige Quadrate. Allerdings sind die Farben der Gegensatzpaare jetzt vertauscht. Wo vorher das grüne Quadrat war, erscheint jetzt die Farbe gelb und andersherum. Dieses Phänomen ließ sich mit der Dreifarbentheorie von Helmholtz nicht erklären.

Nun wollen wir uns anschauen, wie die Farbwahrnehmung tatsächlich abläuft. Wusstest du, dass ein Hund weniger Farben sehen kann als ein Mensch, ein Vogel jedoch mehr? Das liegt an der unterschiedlichen Anzahl verschiedener Zapfentypen in der Netzhaut. Hunde und die meisten anderen Säugetiere sind Dichromaten. Das bedeutet, dass sie zwei verschieden Zapfentypen besitzen. Menschen haben 3 verschiedene Zapfentypen, sie nennt man Trichromaten. Die meisten Vögel sind Tetrachromaten. Sie können mit dem 4. Zapfentyp z.B. das für den Menschen unsichtbare UV-Licht wahrnehmen. Hier lag Helmholtz mit seiner Dreifarbentheorie also richtig. Wie er vermutet hat, gibt es in der menschlichen Netzhaut drei Sensortypen, die Zapfen. Mit seinen drei Zapfentypen kann der Mensch etwa 7 Millionen Farbnuancen unterscheiden. Eine Farbnuance wird durch den Farbton, die Helligkeit und die Sättigung bestimmt.

Worin unterscheiden sich die drei Zapfentypen des Menschen? Zur Erinnerung: bei den Stäbchen heißt das Sehpigment, also das Molekül, dass das Licht absorbiert, Rhodopsin. Es besteht aus Opsin, einem Protein und Retinal, einem Aldehyd des Vitamin A. Bei den Zapfen liegt ein anderes Protein vor. Es gehört aber auch zur Gruppe der Opsine. Wie bei den Stäbchen, ist dieses Protein auch bei den Zapfen mit Retinal verbunden. Das vollständige Sehpigment aus Protein und Retinal heißt hierbei Iodospin.

Nun zu den drei Zapfentypten. Die Struktur ist bei allen Typen gleich. Der Unterschied liegt im Aufbau des Sehpigments. Auch hier ist es der Proteinanteil, der den Unterschied macht: jeder Zapfentyp ist für eine unterschiedliche Wellenlänge des Lichts am empfindlichsten. Das für den Menschen sichtbare Licht hat eine Wellenlänge von etwa 400 bis 760 nm. Die verschiedenen Zapfentypen sind nach der Wellenlänge benannt, durch die sie am stärksten erregt werden. K-Zapfen werden durch kurzwelliges Licht, M-Zapfen durch Licht mittlerer Wellenlänge und L-Zapfen durch langwelliges Licht erregt.

In diesem Diagramm siehst du, wo die Absorptionsmaxima der einzelnen Zapfentypen liegen. Für K-Zapfen bei etwa 420 nm, für M-Zapfen bei etwa 530nm und für L-Zapfen bei etwa 560 nm. Zum Vergleich seht ihr noch die Absorptionskurve der Stäbchen. Somit kann man sagen, dass K-Zapfen für blaues Licht, M-Zapfen für grünes Licht und L-Zapfen für rotes Licht am empfindlichsten sind.

Auch hier lag Helmholtz mit seiner Theorie richtig. Er hat die Grundfarben der Zapfen richtig bestimmt. Allerdings ist er davon ausgegangen, dass sich die drei Zapfen in ihrem Absorptionsspektrum nicht überlagern. In dem Diagramm sehen wir, dass aber genau das der Fall ist.

Durch diese Überlappung wird meist mehr als ein Zapfentyp auf einmal erregt. Z.B. wird bei 580 nm der L-Zapfen stärker erregt als der M-Zapfen. Bei uns entsteht der Farbeindruck gelb.

Neurophysiologische Untersuchungen ergaben, dass auch Hering mit seiner Theorie nicht ganz falsch lag. So sind die Zapfen, wie auch die Stäbchen, in rezeptiven Feldern organisiert. Das heißt mehrere Sinneszellen leiten ihre Information an eine Ganglienzelle weiter. Hier siehst du eine schematische Darstellung so eines Feldes. Durch die Verschaltung der nachgeschalteten Nervenzellen entsteht u.a. ein Rot-Grün-Kanal, in dem die Anteile an Rot und Grün der gesehen Farbe miteinander verrechnet werden. Wie Hering vermutet hat, hemmen sich die Farben eines Gegensatzpaares gegenseitig.

Zum Schluss erkläre ich dir noch, warum nachts sprichwörtlich alle Katzen grau sind. Stäbchen sind deutlich lichtempfindlicher als Zapfen, d.h. ihre Reizschwelle wird schon bei geringer Lichtintensität überschritten. Zapfen hingegen benötigen mehr Licht, damit sie erregt werden. Deshalb werden unsere Zapfen in der Dämmerung und nachts nicht erregt, wodurch kein Farbsehen möglich ist. Die Stäbchen sorgen jedoch dafür, dass wir immer noch Umrisse und Kontraste erkennen können, allerdings nur in Grautönen.

Fassen wir zusammen: Die Dreifarbentheorie von Helmholtz ist auf der Ebene der Zapfen richtig. Die Gegenfarbentheorie von Hering hingegen hat sich oberflächlich betrachtet auf der Ebene der nachgeschalteten Neuronen bewährt. Beide Theorien entsprechen also nicht ganz der Wirklichkeit, sind aber in Anbetracht des damaligen Standes der Forschung durchaus zu würdigen.

In Wirklichkeit hat der Mensch also drei unterschiedliche Zapfentypen, die für die Farben blau, grün und rot am empfindlichsten sind. Benannt sind sie nach der Wellenlänge ihrer “Grundfarbe”.

In der Nacht hingegen liegt die Lichtintensität unterhalb der Reizschwelle der Zapfen. Deshalb leiten nur die Stäbchen Erregungen weiter. Katzen nimmst du daher nur grau war.

Das war’s von mir. Viel Spaß beim Lernen! Kerstin .