Ich glaube, wenn der Tod unsere Augen schließt,
werden wir in einem Lichte stehen,
in welchem unser Sonnenlicht nur der Schatten ist.
Arthur Schopenhauer
dt. Philosoph (1788-1860)

Licht als Grundlage des Lebens

Ohne das Licht der Sonne wäre Leben auf der Erde undenkbar. Die Sonne ist die bedeutenste und natürlichste Lichtquelle. Ohne sie läge die Temperatur auf der Erde unter -200°C und Leben wäre undenkbar.

Alles Leben auf der Erde ist durch die Sonnenenergie entstanden und optimal auf die Sonne angespasst.

Links zu Licht und Gesundheit:


Licht und Sehen beim Menschen

Für den Menschen und einen großen Teil der Tiere ist das Licht der wichtigste Informationsträger für Nachrichten aus der Umwelt. Man kann sagen, der Mensch ist ein ausgesprochenes „Augentier“. Blinde Menschen erregen weit mehr Mitgefühl und erhalten mehr Zuwendung von ihrer Umwelt als Menschen, die z.B. die Fähigkeit zu riechen verloren haben.

Entwicklung verschiedener Augentypen 
Ausführliche Informationen

Kameraauge. Wirbeltiere und Tintenfische haben Kameraaugen, die wie eine Fotokamera ein reelles Bild der Umgebung auf der Netzhaut entwerfen. Sie bestehen aus dem gallertartigen Glaskörper, der von verschiedenen Häuten umgeben ist. Die Netzhaut enthält die Sehzellen. Vorn bilden die Häute lichtbrechende Strukturen aus. Sie bestehen aus einer Linse, der gewölbten Hornhaut, einer Blende, genannt Iris, und dazwischenliegenden, wassergefüllten Hohlräumen.

Aufbau des Auges

Abb. Bau des Auges

Netzhaut. Die Sehzellen des Wirbeltierauges befinden sich auf der lichtabgewandten Seite der Netzhaut. Sie sind von lichtundurchlässigen Pigmentzellen umgeben, in deren Zwischenräume sie in Abhängigkeit von der Lichtstärke mehr oder weniger tief eintauchen können. Es gibt zwei Arten von Sehzellen: die Stäbchen zum Schwarz-Weiß-Sehen und die Zapfen, die auf Farben reagieren. An der Innenseite der Netzhaut laufen die ableitenden Neuriten zum blinden Fleck. Hier liegen keine Sehzellen, da hier der Sehnerv durch die Augenwand tritt. Der der Linse gegenüberliegende Teil der Netzhaut ist besonders dicht mit Sehzellen besetzt: Der gelbe Fleck, die Zentralgrube, ist das Gebiet des deutlichsten Sehens. Sehzellen sind abgewandelte Neuronen. Sie enthalten an der lichtabgewandten Seite die sogenannten Discs. Das sind scheibchenförmige Strukturen, die geldrollenartig übereinander liegen. Hier befinden sich die lichtempfindlichen Stoffe, die auf den Reiz reagieren.

Abb. Bau der Netzhaut 

Sehpurpur. Der lichtempfindliche Stoff des Auges, das Rhodopsin, ist eine Verbindung aus dem Eiweiß Opsin und dem Retinal. Das Retinal ist der Aldehyd des Alkohols Retinol, den wir als Vitamin A mit der Nahrung aufnehmen. In unbelichtetem Zustand ist die Kohlenwasserstoffkette des Retinals nach dem elften Kohlenstoffatom abgeknickt, so dass das Molekül eine gekrümmte Form hat (Cis-Form, 11-cis-Retinal). Belichtetes Retinal ist gestreckt (Trans-Form, All-trans-Retinal).

Der Rhodopsinzyklus. Bei Belichtung entsteht aus der gekrümmten 11-cis-Form die gestreckte All-trans-Form des Retinals. Dieses Molekül löst sich vom Opsin ab. Durch den Zerfall verändert sich die Struktur des Opsins. Es wird zu einem sehr wirksamen Enzym, das eine Reihe chemischer Reaktionen katalysiert. Durch sie wird ein Ionenstrom in Gang gesetzt, der an der Sehzelle ein Potential aufbaut, das Rezeptorpotential. Es bewirkt die Bildung von Aktionspotentialen auf dem Neuriten. Die Enzymwirkung des Opsins ist so intensiv, dass schon Aktionspotentiale entstehen, wenn nur ein Lichtquant eine Sehzelle trifft. Im Rhodopsinzyklus wird dann das Ausgangsmolekül unter Energieverbrauch wieder regeneriert. Das freigewordene All-trans-Retinal wird zu All-trans-Retinol reduziert, aus dem ein Enzym, eine Isomerase, die gekrümmte 11-cis-Form bildet. Das 11-cis-Retinol wird wieder zu Retinal oxidiert und mit Opsin zu Rhodopsin vereinigt.

Abb. des Rhodopsinzyklus

Bei starker Beleuchtung tritt an den Sehzellen eine "Lichtsättigung" ein, d.h. zur Erzeugung eines Rezeptorpotentials sind stärkere Reize nötig. Danach ist das Auge erst nach etwa 10 bis 15 Minuten wieder voll leistungsfähig. Diese Anpassung an verschiedene Helligkeiten, die nicht nur in Extremsituationen eintritt, bezeichnet man als Adaptation.

 

Farbensehen. Der lichtempfindliche Stoff der Zapfen heißt Iodopsin. Er hat eine geringfügig andere Struktur als das Rhodopsin, der Wirkungsmechanismus ist aber etwa derselbe. Es gibt beim Menschen drei Sorten von Zapfen, die jeweils am stärksten auf die Farben Blau-Violett, Grün und Gelb bis Rot reagieren. Die Empfindlichkeitsbereiche der Zellen überlappen einander, so dass z.B. bläuliches Licht der Wellenlänge um 500 nm die grünempfindlichen Zellen am stärksten erregt, aber auch die blau-violett- und rotempfindlichen Zapfen in geringem Maße anspricht. Aus der Verrechnung der Eindrücke aller drei Zelltypen wird im Gehirn der eigentliche Seheindruck ermittelt. Deshalb sehen wir mehr Farben, als das kontinuierliche Spektrum zeigt. Es gibt z.B. keine einheitliche Wellenlänge für die Farben Braun oder Grau. Sie sind "Kunstprodukte" des Gehirns, die sich aus der Mischung verschiedener Wellenlängen ergeben. Werden alle Zapfen gleichstark erregt, sehen wir die "Farbe" Weiß. Der Ausfall einzelner Zapfentypen führt zur Farbenblindheit. Rotblinde z.B. bezeichnen alles Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 520 nm als Gelb.

Räumliches Sehen. Wenn beide Augen einen bestimmten Punkt (A) fixieren, entsteht ein Bild in der Zentralgrube des Auges (A'). Gegenstände, die außerhalb der Bildmitte liegen (B,C), werden auf einander entsprechenden Netzhautbereichen rechts und links vom Gelben Fleck abgebildet (B'L, B'R, C'L, C'R). Alle Gegenstände, die auf einander entsprechenden Netzhautpunkten beider Augen abgebildet werden, liegen auf einem Kreis, der durch die Kreuzungspunkte (K) der Lichtstrahlen in den Augen geht. Man nennt ihn Horopterkreis. Von diesen Gegenständen wird ein einheitliches Bild an das Gehirn gemeldet. Liegt ein Gegenstand (D) außerhalb dieses durch die Akkommodation festgelegten Kreises, so erscheinen seine Projektionen (D'L, D'R) nicht mehr auf den entsprechenden Netzhautsteilen beider Augen. Aus der geringen Differenz zwischen diesen Punkten berechnet das Gehirn, dass die Entfernung zu dem Gegenstand größer oder kleiner ist, als zu denen, auf die die Augen fixiert sind. Ist diese Differenz sehr groß, so kommen die Bilder nicht mehr zur Deckung, das Hintergrundbild wird unscharf, oder es wird gar nicht wahrgenommen.

Rezeptorische Felder. Die Schaltneuronen der Netzhaut, an die die Sehzellen die Information abgeben sind untereinander netzartig verbunden. In der Zentralgrube ist jede Sehzelle mit einem weiterleitenden Neuron verknüpft. Zur Peripherie der Netzhaut hin werden immer mehr Sehzellen auf ein ableitendes Neuron vereinigt. Das bedeutet, dass die Neuriten dieser Zellen die Information von jeweils mehreren Sehzellen ableiten. Das Gebiet der so zusammengefassten Zellen nennt man rezeptorisches Feld. Es gibt verschiedene Arten rezeptorischer Felder. Manche werden gereizt, wenn das Zentrum des Feldes beleuchtet ist. Andere reagieren nur bei Beleuchtung des Feldrandes. Bestimmte Felder sprechen auf besondere Formmerkmale oder Bewegungsrichtungen an. Bei manchen Zapfen wirken Komplementärfarben gegensätzlich, z.B. kann ein Rot-Feld durch Grünlicht gehemmt werden. Dies bewirkt die Entstehung von farbigen Nachbildern.

Optisches Auflösungsvermögen. Das Auflösungsvermögen ist die Fähigkeit des Auges, zwei Punkte gerade noch unterscheiden zu können. Es ist vom Gesundheitszustand des Auges und den Beleuchtungsverhältnissen abhängig. Bei hellem Licht kann ein gesundes Auge aus 5 m Entfernung zwei Punkte von 1,5 mm Abstand unterscheiden. Das entspricht einem Sehwinkel von 0,0172°, d.h. etwa einer Winkelminute. Das Abbild auf der Netzhaut ist etwa 5 m breit, es berührt vier Sehzellen. Man bezeichnet einen Grenzwinkel für die Sehschärfe von einer Winkelminute als Visus 1. Werden die beiden Punkte erst aus 2,5 m Entfernung erkannt, ist der Visus 0,5, aus einem Drittel der Entfernung 0,33 usw. Wegen der Struktureigenschaften der rezeptorischen Felder nimmt der Visus mit der Entfernung von der Zentralgrube stark ab.

Akkommodation. Das optische System des Auges hat die Fähigkeit, durch Veränderung der lichtbrechenden Strukturen das Auge auf verschiedene Entfernungen einzustellen. Dieser Vorgang heißt Akkomodation. Dabei sind bei verschiedenen Tiergruppen unterschiedliche Methoden verwirklicht. Tintenfische und Fische haben starre Linsen. Das Bild eines weit entfernten Gegenstandes entsteht bei einer starren Linse in geringerem Abstand hinter der Linse als das eines nahen Gegenstandes. Tintenfische und Fische müssen deshalb, um das Auge zu akkommodieren, den Abstand zwischen Linse und Netzhaut verändern. Das geschieht durch Vor- und Zurückziehen der Linse und durch Verformung des Augapfels. Die Linsen der Reptilien, Vögel und Säuger sind weich und können deshalb in ihrer Brennweite verändert werden. Die Säugerlinse ist flach bei entspanntem Ringmuskel (Fernsehen). Kontrahiert sich dieser, nimmt die Linse ihre normalerweise stärker gewölbte Form an, und wir sehen nahe Gegenstände scharf.

Akkommodationsfehler wie Kurz- oder Weitsichtigkeit entstehen durch Verformungen des Augapfels. Die Altersweitsichtigkeit ist durch einen zunehmenden Verlust an Elastizität der Linse bedingt. Die Fehler können durch entsprechende Brillengläser ausgeglichen werden.

Adaptation. Das Kameraauge kann die Lichtintensität, die die Netzhaut erreicht, mit Hilfe der Irisblende regulieren. Durch Kontraktion der Iris wird die Pupille verkleinert. Dadurch fällt bei heller Beleuchtung weniger Licht auf die Netzhaut. Im Dunkeln erweitert sich die Pupille, so dass die Netzhaut mehr Licht aufnehmen kann. Andere Adaptationsvorgänge beruhen darauf, dass die Sehzellen mehr oder weniger stark in die umgebenden Pigmentzellen eintauchen. Auch der mehr oder weniger starke Zerfall der Sehfarbstoffe und die dadurch bedingt unterschiedliche Empfindlichkeit des Auges entspricht einem Adaptationsvorgang.