Alles so schön bunt hier - das Farbsehen

Alles so schön bunt hier - das Farbsehen

Rot-​Grün-​Schwäche – diese bei seinem Sohn gestellte Diagnose weckte Sascha Karbergs Interesse für das Phänomen der Farbwahrnehmung und die dahinter stehenden neurophysiologischen Prozesse. Jetzt sieht er auch seine bunte Welt mit etwas anderen Augen.

Wissenschaftliche Betreuung: Eberhart Zrenner

Veröffentlicht: 14.09.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • Das Farbensehen verdanken wir drei Zapfen-Typen in der Netzhaut, die auf Rot, Grün und Blau reagieren.
  • Grund für die unterschiedliche Reizbarkeit der Zapfen-Typen ist, dass ihre Opsine, also ihre Fotopigmente, auf verschiedene Wellenlängen besonders ansprechen.
  • Die gesehenen Farben werden im Gehirn sortiert, analysiert, interpretiert und mit Gefühlen verknüpft.
  • Farbenfehlsichtigkeit wie die Rot-Grün-Sehschwäche liegt oft an einem fehlerhaften Zapfen-Typ.
Grün als Überlebensvorteil

Die ersten Säugetiere, die unsere Erde bevölkerten, legten auf Farben offenbar kaum Wert. Sie waren nachtaktiv und konnten es sich erlauben, auf zwei der bei Wirbeltieren üblichen Zapfentypen zu verzichten und nur noch langwelliges (rotes) und kurzwelliges (violettes) Licht trennen zu können. Erst als sich die Säugetiere nach dem Aussterben der Dinosaurier auch tagsüber herauswagen konnten, war eine bessere Farbwahrnehmung ein Selektionsvorteil. Es erleichtert die Nahrungssuche zum Beispiel ungemein, wenn sich rote oder gelbe Früchte im grünen Blätterwald deutlich abheben. Bei einer Gruppe von Altweltaffen entwickelte sich vor etwa 40 Millionen Jahren ein neuer, dritter Zapfentyp. Das Gen, welches das Opsin für das langwellige (rote) Licht kodierte, wurde durch eine zufällige Mutation verdoppelt. Eine der beiden Versionen mutierte jedoch so, dass das Opsin fortan auch etwas kurzwelligeres, grünes Licht wahrnehmen konnte. Deshalb sind Altweltaffen und ihre Verwandten, nämlich Primaten wie der Mensch im Gegensatz zu anderen Sägern wie etwa den Mäusen so genannte Trichromaten – Dreifarbseher.

Opsin

Opsin/-/opsin

Eine Gruppe von Proteinen, die Licht einer bestimmter Wellenlängen absorbieren und so in den Zapfen der Netzhaut des Auges das Farbsehen ermöglichen. Beim Menschen kommen Rhodopsin, Porphyropsin, Iodopsin und Cyansopsin vor.

“Zeig doch mal die Schlangen auf dem Bild.” Erst seit dieser Frage der Schulärztin an meinen Sohn begreife ich, wie bunt unsere Welt für mich ist. Und warum der Fünfjährige auf meinem Schoss beim Lernen der Worte für die Farben in seinen Bilderbüchern so viel länger brauchte als seine Geschwister.

Sicher, ich hatte auch schon von Rot-​Grün-​Schwäche gehört. Klar erinnerte ich mich dunkel an den Biologieunterricht, wo von drei Typen von Sinneszellen die Rede war, die entweder auf Licht im roten, grünen oder im blauen Bereich ansprechen. Aber als mein Spross in seinem Sehtest nur eine Schlange, nicht aber die zweite, für Rot-Grün-“Blinde” unsichtbare Schlange erkennen konnte, war das Sehen von Farben anders als bisher keine Selbstverständlichkeit mehr.

Etwa neun Prozent der deutschen Männer haben eine Rot-​Grün-​Schwäche. Sie verwechseln rote und grüné Farbnuancen – und kommen dennoch meist ähnlich gut durchs Leben wie jeder andere. Es besteht also eigentlich überhaupt kein Grund zur väterlichen Sorge. Doch der Blick auf den knallroten Sonnenuntergang, auf den bunten Obststand auf dem Markt, auf die farbenprächtigen Kostüme beim Karneval der Kulturen in Berlin – über allem schwebt seither die Frage: Wie sieht mein Sohn die Welt?

Moleküle, die Farben erkennen

Ich machte mich also auf, alles über das Farbensehen zu erfahren. Und lernte schnell, dass ich und alle anderen “Normalsichtigen” eigentlich auch Schwächen beim Farbsinn haben. Denn obwohl wir Menschen uns gern als die Krone der Schöpfung betrachten, können wir bei weitem nicht so viele Farben wahrnehmen wie viele Tiere. Vögel, Eidechsen, Fische und Insekten sehen beispielsweise ultraviolette Strahlung, die wir bestenfalls spüren – wenn wir uns einen Sonnenbrand holen. Schlangen haben sogar eine Empfindung für die Infrarotstrahler unserer TV-​Fernbedienung.

Nichtsdestotrotz ist der Mensch in der Lage, Millionen verschiedener Farben zu unterscheiden, die durch ihren Farbton, ihre Sättigung, also die Weißbeimischung, und ihre Helligkeit beschrieben werden. Verantwortlich dafür sind die Zapfen in der Netzhaut. In ihrem Inneren befinden sich Fotopigmente, so genannte Opsine, die – vereinfacht gesagt – Licht zunächst in chemische Signale umwandeln, die über eine lange Kette von Ereignissen zu einem elektrischen Signal führen. Allerdings steckt nicht in jedem Zapfen das gleiche Opsin. Stattdessen existieren drei verschiedene Varianten, von denen jede auf Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich besonders anspricht. Und deshalb gibt es auch drei Zapfentypen: Die blauempfindlichen Zapfen werden aktiviert durch Licht einer Wellenlänge von rund 430 Nanometer, die grünempfindlichen Zapfen bei etwa 530 Nanometern und die rotempfindlichen Zapfen haben ihr Absorptionsmaximum nahe 560 Nanometer.

Aber wie entscheidend ist es überhaupt für das Bild von der Welt, welche Wellenlängen des Lichts die Zellen in der Netzhaut meines Sohnes detektieren können? So wie der Bengel auf unserer roten Couch herumhüpft, wird er diese mit Sicherheit irgendwie sehen – und kein schwarzes Loch, obwohl ihm das Rot absorbierende Opsin fehlt.

Helligkeit

Helligkeit/-/brightness

Die Helligkeit ist eine der Wahrnehmungsdimensionen des Sehens. Sie beeinflußt die Größe der Pupille.

Zapfen

Zapfen/-/retinal cones

Die Zapfen sind eine Art von Fotorezeptoren der Netzhaut. Die drei unterschiedlichen S-​, M– und L-​Zapfen sind jeweils durch kurz-​, mittel und langwellige Frequenzen des sichtbaren Lichts erregbar und ermöglichen so Farbsehen.

Netzhaut

Netzhaut/Retina/retina

Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.

Opsin

Opsin/-/opsin

Eine Gruppe von Proteinen, die Licht einer bestimmter Wellenlängen absorbieren und so in den Zapfen der Netzhaut des Auges das Farbsehen ermöglichen. Beim Menschen kommen Rhodopsin, Porphyropsin, Iodopsin und Cyansopsin vor.

Der Vergleich entscheidet

Natürlich hat das Wahrnehmen von Farben zunächst einmal viel mit Physik zu tun: Die Couch ist nur deshalb rot, weil sie vom weißen Licht nur die “roten” Wellenlängen ab etwa 560 Nanometern aufwärts reflektiert. Alle anderen Teile des Lichtspektrums werden von der Couch verschluckt – absorbiert.

Das reflektierte langwellige Licht fällt in mein Auge und reizt auf der Netzhaut jene Zapfenzellen, die auf diese Wellenlängen spezialisiert sind: die L-​Zapfen. Sie sind für den langwelligen Bereich des Lichts zuständig. Welche Farbe ich oder mein Sohn jedoch wahrnehmen, welches Bild sich mein Hirn von der Couch macht, und was für Empfindungen ich damit verknüpfe, das ist nicht nur eine Frage der Physik, sondern auch der Neurobiologie, von Lernen und sogar Kultur. Im Gehirn entsteht nicht einfach ein identisches Abbild der Natur wie beim Fotoapparat, sondern das Gesehene wird vom visuellen System sortiert, bewertet und interpretiert.

Schauen wir uns besagte rote Couch an. Auf das Licht, das von dem Möbelstück reflektiert wird, reagieren nicht nur meine auf langwelliges Licht spezialisierten L-​Zapfen. Auch die für den mittleren Grünbereich zuständigen M-​Zapfen werden aktiv, wenn auch nur schwach, denn der darin enthaltene Opsin-​Typ reagiert zwar vor allem auf Grün (530 Nanometer), ist aber in weitaus geringerem Maße auch von anderen Wellenlängen reizbar. Und hier und da dürften auch ein paar blau-​empfindliche S-​Zapfen ansprechen, denn vom Sofa kommt auch Licht in deren bevorzugter kurzer Wellenlänge – weil mein Sohn gerne malt.

Um Farben zu unterscheiden, muss das visuelle System die Reize von mindestens zwei Zapfentypen vergleichen. Da es vom grünliebenden M-​Zapfen kaum, vom rotliebenden L-​Zapfen jedoch ein ganzes Feuerwerk von Impulsen erhält, wird es die Couchfarbe als weitgehend “rot” klassifizieren. Der weiße Laptop auf der Couch hingegen, reizt alle drei Rezeptoren gleich stark, weshalb die unfarbige Empfindung “weiß” entsteht.

Soweit die physikalische Seite des Sehens, deren grundlegende Theorie bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von den Forschern Hermann Helmholtz, James Clerk Maxwell und Thomas Young formuliert wurde. Demnach können aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau alle Farben gemischt werden, die der Mensch wahrnehmen kann.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Netzhaut

Netzhaut/Retina/retina

Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Wahrung des Gleichgewichts schafft Nachbilder

Die Theorie hat allerdings einen Haken, und da kommt die Neurobiologie ins Spiel: Denn obwohl bei meinem Sohn nur einer der drei Opsin-​Typen fehlt (der rote), hat er Schwierigkeiten mit der Wahrnehmung von Rot und Grün. Das Unterscheiden beider Farben ist gestört, es kommt zu Verwechslungen. Das lässt sich erklären, wenn man das Farbwahrnehmungsmodell von Karl Ewald Konstantin Hering (1834 – 1918) heranzieht. Hering vermutete 1874 drei unabhängige “Gegenfarbpaare”: Blau und Gelb, Rot und Grün sowie Schwarz und Weiß.

Der Mediziner aus Leipzig schloss das vor allem aus dem Phänomen der farbigen Nachbilder, wie sie erstmals 1808 von Johann Wolfgang von Goethe beschrieben wurden. Sie entstehen, wenn man über längere Zeit zum Beispiel eine rote Couch anstarrt. Blickt man dann sofort auf die weiße Wand daneben, dann entsteht ein Nachbild der Couch, jedoch in Grün, der Gegenfarbe. Hering erklärte das damit, dass ein als Rot wahrgenommener Reiz die grüné Sinneswahrnehmung hemmt.

Heute wissen wir, dass sich bei länger anhaltendem Rotreiz die Empfindlichkeit des Gegenfarbsystems für rotes Licht verringert. Diesen Prozess bezeichnet man als Adaptation und er ist wesentlich für die so genannte “Farbkonstanz der Dinge” (Hermann v. Helmholtz, 1867). Schaut man aber gleich anschließend auf eine weiße Wand, werden zwar alle Farbkanäle (Rot, Grün und Blau) gleich stark gereizt, aber die Empfindlichkeit des Rotkanals ist noch für einige Sekunden lang verringert und muss sich erst wieder “erholen”; im Gegenfarbsystem bleibt somit für kurze Zeit ein “Überschuss” an Grünerregung, weshalb an der Wand ein grünes Sofa erscheint.

Tatsächlich haben Physiologen inzwischen gezeigt, dass die Signale von den Zapfen schon in der Netzhaut und im Corpus geniculatum laterale in Gegenfarbpaaren zusammengefasst und weiterverrechnet werden: den konträren Farben Rot/​Grün und Blau/​Gelb, sowie dem Helligkeitswert aus dem Schwarz-​Weiß-​Anteil. Die Signale gelangen schließlich über den Sehnerv und den Corpus geniculatum laterale in die Sehrinde, wo vor allem die Areale V1 und V4 für die Weiterverarbeitung verantwortlich sind, bevor wir Gegenstände mit “ihren” Farben wahrnehmen können.

Wahrnehmung

Wahrnehmung/Perceptio/perception

Der Begriff beschreibt den komplexen Prozess der Informationsgewinnung und –verarbeitung von Reizen aus der Umwelt sowie von inneren Zuständen eines Lebewesens. Das Gehirn kombiniert die Informationen, die teils bewusst und teils unbewusst wahrgenommen werden, zu einem subjektiv sinnvollen Gesamteindruck. Wenn die Daten, die es von den Sinnesorganen erhält, hierfür nicht ausreichen, ergänzt es diese mit Erfahrungswerten. Dies kann zu Fehlinterpretationen führen und erklärt, warum wir optischen Täuschungen erliegen oder auf Zaubertricks hereinfallen.

Nachbild

Nachbild/-/afterimage

Ein Bild, welches wahrgenommen wird, nachdem das eigentliche Bild nicht mehr vorhanden ist. Ein Nachbild tritt normalweise dann auf, wenn man eine Bildvorlage ungefähr eine Minute lang fixiert hat. Blickt man danach auf eine weiße Fläche, zeichnet sich das zuvor betrachtete Bild in der jeweiligen Gegenfarbe dort ab. Nachbilder entstehen durch die „Übermüdung“ der Fotorezeptoren, die nach einiger Zeit der Betrachtung keine Signale mehr ins Gehirn senden.

Adaptation

Adaptation/-/adaptation

Zweistufiger Prozess der Anpassung des Auges an die Helligkeit der Umgebung. Im ersten Schritt verändert sich durch den Pupillenreflex die Größe der Pupille, wodurch die Menge des einfallenden Lichts reguliert wird. Im zweiten Schritt ändert sich die Empfindlichkeit der Fotorezeptoren. Dieser Prozess kann bis zu 40 Minuten dauern.

Zapfen

Zapfen/-/retinal cones

Die Zapfen sind eine Art von Fotorezeptoren der Netzhaut. Die drei unterschiedlichen S-​, M– und L-​Zapfen sind jeweils durch kurz-​, mittel und langwellige Frequenzen des sichtbaren Lichts erregbar und ermöglichen so Farbsehen.

Netzhaut

Netzhaut/Retina/retina

Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.

Corpus geniculatum laterale

Seitlicher Kniehöcker/Corpus geniculatum laterale/lateral geniculate body

Das Corpus geniculatum laterale (seitlicher Kniehöcker) ist derjenige Abschnitt des Thalamus (größter Teil des Zwischenhirns), in dem rund 90% der Axone des Sehnervs enden. Es zeigt eine charakteristische Schichtung in sechs Zelllagen, getrennt von den eingehenden Fasern der Sehnerven. Die Nervenzellen des Corpus geniculatum laterale senden ihre Fortsätze zur Sehrinde. Gemeinsam mit dem Corpus geniculatum mediale bildet es den Metathalamus.

Sehnerv

Sehnerv/Nervus opticus/optic nerve

Die Axone (lange faserartige Fortsätze) der retinalen Ganglienzellen bilden den Sehnerv, der das Auge auf der Rückseite an der Papille verlässt. Er umfasst ca. eine Million Axone und hat einen Durchmesser von ca. sieben Millimetern.

Primärer visueller Cortex

Primäre Sehrinde/Area striata/primary visual cortex

Der Teil des Okzipitallappens (Hinterhauptslappen) dessen primäre Eingänge dem visuellen System entstammen. Nach Brodmann, der die Großhirnrinde im Jahre 1909 ursprünglich in 52 Areale unterteilte, ist der primäre visuelle Cortex Areal 17.

Visuelle Assoziationscortices

Visuelle Assoziationsareale/Area peristriata/visual association cortex

Als visuelle Assoziationscortices werden die Bereiche bezeichnet, die nicht der primären visuellen Verarbeitung dienen, aber doch stark an der visuellen Wahrnehmung beteiligt sind. Siehe auch Was– und Wo-​Bahn.

Farbempfinden im wahrsten Sinne

Offenbar werden die Farbinformationen im Gehirn auch mit Empfindungen und anderen Sinneseindrücken verknüpft. Im Fall des Jonathan Isaacson, einem amerikanischen Künstler, der nach einem vermeintlich glimpflich verlaufenen Autounfall die Welt nur noch in Schwarz-​Weiß sehen konnte, fiel eben jener Bereich aus, wie der Neurologe und Buchautor Oliver Sacks schildert. Doch Isaacson verlor nicht nur die Farben, was für ihn als Maler allein schon tragisch genug ist, er büßte auch alle mit Farben verbundenen Empfindungen ein. Er empfand die plötzlich grauen Menschen als “rattenartig”, die Welt erschien ihm wie “geschmolzenes Blei”. Selbst wenn der Künstler die Augen schloss, waren die Erinnerungen, ja sogar seine Träume grau. Irgendwann arrangierte sich Isaacson, doch gewöhnen konnte er sich an seinen Zustand nie.

Mein Sohn erlebt keinerlei derartige Qualen. Ihm fehlt der Vergleich, er weiß gar nicht, was er nicht sehen kann. So wenig wie ich die tetrachromatische Welt der Vögel vermisse. Gerade erklärt er mir begeistert eines seiner sehr farbigen Bilder: “Guck, das ist die grüné Wiese und das da sind die roten Lippen von einer Kuh und die hat eine gelbe Skibrille auf, siehst‘e?”, kichert er. Mir ist jetzt klar, dass sein „Rot“ nicht das sein kann, das in meinem Kopf entsteht. Und auch wenn ich nicht weiß, wie er seine grüné Wiese sieht, bin ich mir sicher: Es ist ein schönes Bild.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Veröffentlichung: am 14.11.2010
Aktualisierung: 14.09.2016

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