A – Farben sehen

Für die Wahrnehmung unterschiedlicher Farben sind Rezeptoren auf unserer Netzhaut verantwortlich. Sie sind in Abbildung A.3 (Lichtrezeptoren Auge) schematisch aufgezeichnet: Die Rezeptoren der Netzhaut sind dabei in der rechten oberen Ecke vergrößert hervorgehoben.

A.1 Ein erster Überblick

Unsere Netzhaut besitzt zwei verschiedene Arten von Rezeptoren, die für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ca. 400 und 800 nm sensibel sind: die Helligkeitsstäbchen und die Farbzapfen (siehe Abbildung A.4 Helligkeitsstäbchen und Farbzapfen).

Diese Rezeptoren reagieren jeweils auf Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. In Abbildung A.5 (Empfindlichkeit Lichtrezeptoren) ist dies anhand von Empfindlichkeitskurven dargestellt:

Die vier Rezeptoren sind für unterschiedliche Wellenlängenbereiche sensibel. Das bedeutet, sie reagieren auf elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängenbereich, aber nicht auf solche außerhalb des Bereichs.

 

A.2 Die Stäbchen (Helligkeitssehen)

Die gestrichelte Linie stellt dabei die Empfindlichkeit der Helligkeitsstäbchen dar. Diese Rezeptoren sind auf das Sehen bei geringer Helligkeit angepasst und detektieren Licht in einem breiten Spektralbereich zwischen ca. 400 und 750 nm.

(Vor allem im Bereich zwischen 600 und 800 nm sind die Stäbchen dabei wenig bis gar nicht sensibel. Das ist auch der Grund, warum rote Kleidung in der Dämmerung keine gute Wahl für die Sichtbarkeit darstellt. Rot erscheint uns bei geringer Helligkeit als sehr dunkel.)

Da es nur eine Sorte von Stäbchen gibt, können wir mit ihrer Hilfe auch nur Helligkeitsstufen, aber keine Wellenlängen (also Farben) unterscheiden – die Informationen, die die Stäbchen an das Gehirn leiten können, ist nur „Signal detektiert“ oder „kein Signal detektiert“. Daher stimmt auch der Ausspruch: „Bei Nacht sind alle Katzen grau.“

Von den Stäbchen sind auf unserer Netzhaut viel mehr vorhanden als von den für das Farbsehen verantwortlichen Zapfen. Bei einem gesunden Auge befinden sich ca. 120 Millionen Stäbchen auf der Netzhaut.

(Sind es deutlich weniger, spricht man auch von „Nachtblindheit“.) Dabei befinden sich die Stäbchen vor allem im äußeren Bereich der Netzhaut. (Dies ist auch der Grund, warum uns beispielsweise am Nachthimmel die Stern am Rand unseres Blickfeldes hell erscheinen – wenn wir den Kopf drehen, um sie direkt anzuschauen, ihre Helligkeit allerdings wieder abzunehmen scheint.)

A.3 Die Zapfen (Farbsehen)

Mit ca. 6 Millionen Zapfen besitzt die Netzhaut deutlich weniger Farbzapfen als Stäbchen. Die Zapfen sind dabei vor allem in der Mitte der Netzhaut zu finden. Vor allem im Zentrum der Netzhaut („Makula“) findet sich eine besonders hohe Dichte an Zapfen. Wir bezeichnen dies auch als den „Ort des schärfsten Sehens“. Die Zapfen sind für das Sehen bei Tageslicht verantwortlich, sie sind weniger sensibel als die Helligkeitsstäbchen. Dafür können wir bei ausreichendem Licht mithilfe der Farbzapfen deutlich schärfer sehen als mit den Stäbchen.

Häufig werden die Farbzapfen dabei anhand von Farben benannt. Wir sprechen dann vom „blauen“, „grünen“ und „roten“ Zapfen. Das ist einerseits hilfreich für die Aspekte, die wir im Folgenden besprechen, andererseits ist es fachlich aber auch aus mindestens drei Gründen irreführend, bzw. unzutreffend:

    1. Die Benennung führt (auch durch Darstellungen wie in Abbildung A.3) bei Lernenden u.U. zur Vorstellung, dass die Zapfen in dieser Farbe eingefärbt wären. Tatsächlich ist ja aber der „blaue Zapfen“ nicht blau, sondern er ist sensibel für den Wellenlängenbereich, den wir der Farbe „blau“ zuordnen.
    2. Licht ist physikalisch gesehen nicht „blau“ oder „grün“ usw., es besitzt nur eine charakteristische Wellenlänge und Frequenz. Dadurch, dass wir drei Arten Rezeptoren auf unserer Netzhaut besitzen, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen sensibel sind, können wir unterschiedliches Licht voneinander unterscheiden. Da wir Licht um 420 nm also anhand der verschiedenen Zapfen anders wahrnehmen als Licht von 560 nm, können wir diese beiden Wellenlängen voneinander unterscheiden und nennen dann den ersten Farbeindruck „blau“ und den zweiten „rot“.
    3. Der „blaue Zapfen“ detektiert nicht nur Licht der Wellenlänge 420 nm, sondern Licht zwischen ca. 380 und 530 nm, allerdings ist er in diesem Bereich unterschiedlich sensibel und am empfindlichsten um 420 nm. Diese Sensibilitätsbereich überlappen sich bei den drei Rezeptoren außerdem. Dies hat Konsequenzen für unsere Farbwahrnehmung, wie wir noch sehen werden.

Es ist darum präziser, die Zapfen nach ihren Wellenlängenbereichen zu benennen, in denen sie empfindlich sind. Man verwendet daher die Bezeichnungen S-, M- und L-Zapfen (siehe Abbildung A.6 S-, M- und L-Zapfen):

    • S-Zapfen (short wavelength, „blauer“ Bereich): Maximum bei 455 nm
    • M-Zapfen (middle wavelength, „grüner“ Bereich): Maximum bei 534 nm
    • L-Zapfen (long wavelength, „roter“ Bereich): Maximum bei 563 nm (Das Maximum liegt hier eigentlich im Bereich „gelb-grün“. Der L-Zapfen übernimmt aber die Hauptleistung der Wahrnehmung im roten Bereich, daher wird er damit bezeichnet.)

A.4 Farbsehen

Warum wir anhand unserer drei Farbrezeptoren nun Licht im Bereich zwischen 400 und 800 nm so wahrnehmen wie in Abbildung A.1 dargestellt, kann man sich gut vorstellen, wenn man zunächst einmal nur von einer Sorte Farbzapfen ausgehen. Würden wir beispielsweise nur über M-Zapfen auf der Netzhaut verfügen, dann ergäbe sich das gleiche „Farbsehen“, wie es in der Dämmerung der Fall ist, wenn nur die Helligkeitsstäbchen absprechen.

Eine Sorte Zapfen

Wenn es nur eine Sorte Rezeptoren gibt, dann können diese nur das Signal „hell“ oder „nicht hell“ an das Gehirn weiterleiten. Entsprechend der Empfindlichkeitskurve der Rezeptoren ergäbe sich dann für uns ein Bild des sichtbaren Spektrums wie in Abbildung A.7 (Spektrum Monochromat) dargestellt. Dies entspricht dem „Farb“-Sehen bei Monochromaten, also Lebewesen mit nur einer Sorte Farbrezeptoren.

Zwei Sorten Zapfen

Dichromaten hingegen verfügen über zwei verschiedene Farbrezeptoren. Hierzu zählen beispielsweise Hunde. In den Bereichen, in denen sich die Empfindlichkeit der beiden Rezeptoren unterscheidet, können sie die Informationen in zwei verschiedene Farbeindrücke unterscheiden. Dies ist in Abbildung A.8 (Spektrum Dichromat) dargestellt.

Wir können dem Spektrum nun beispielsweise die Farben „blau“ und „gelb“ zuweisen und nehmen zwischen diesen beiden eine Mischfarbe (hier „weiß“) wahr, wenn beide Rezeptoren auf die Wellenlänge ansprechen.

Drei Sorten Zapfen

Menschen zählen hingegen zu den Trichromaten, die über drei Sorten von Farbrezeptoren verfügen. Wir können daher zum einen Wellenlängen als Farben unterscheiden, die in Bereichen liegen, die sehr charakteristisch für einen der drei Farbzapfen sind. Für S-Zapfen ist dies im „blauen“ Bereich der kurzen Wellenlängen der Fall, in dem die anderen beiden Zapfen nicht oder zumindest kaum sensibel sind. Im „roten“ Bereichen der langen Wellenlängen gilt dies ebenfalls, da hier fast ausschließlich L-Zapfen Licht detektiert. Um 500 nm, im „grünen“ Bereich, sind zwar alle drei Zapfen sensibel, allerdings vor allem M-Zapfen, daher können wir auch dies unterscheiden. In diesen Wellenlängenbereichen spricht also jeweils hauptsächlich einer der drei Farbzapfen an (siehe Abbildung A.4).

Des Weiteren können wir in den Zwischenbereichen unterscheiden, wie stark und in welcher Kombination jeweils die Farbzapfen auf die Wellenlänge ansprechen. Unterhalb von 650 nm nimmt beispielsweise die Sensibilität des M-Zapfens langsam zu. Zwischen 585 und 650 nm nehmen wir das Licht daher (als Kombination aus Signalen der L- und M-Zapfen) als Orange, zwischen 575 und 585 nm als Gelb wahr usw.

Grob gesagt ordnen wir der gleichzeitigen Ansprache von L- und M-Zapfen den Farbeindruck „Gelb“ und der Ansprache von M- und S- Zapfen die Farbe Cyan (ein kräftiges, helles blau) zu. Außerdem ergeben sich natürlich sämtliche Farbnuancen, die auf die Wahrnehmbarkeit von über 50.000 Farbtönen führen. Wir nehmen das Spektrum wie in Abbildung A.9 (Spektrum Trichromat) dargestellt wahr. – Sofern wir „normalsichtig“ sind und nicht eine Farbfehlsichtigkeit bei unseren Augen vorliegt.

Mehr als drei Sorten Zapfen?

Was würde nun geschehen, wenn man noch weitere Arten von Farbrezeptoren hinzufügt? – Tatsächlich verfügen Tiere teilweise mehr Arten von Farbrezeptoren als wir Menschen. Vögel und Insekten können aufgrund von Farbrezeptoren im Bereich unter 400 nm auch ultraviolettes Licht wahrnehmen, was ihnen beispielsweise beim Auffinden von Blüten hilft (siehe Abbildung A.10 Blüte UV).

Gleiches gilt für Tiere, die Strahlung mit Wellenlängen über 800 nm (Infrarot) detektieren können.

Weitere Farbrezeptoren müssen aber nicht notwendigerweise das sichtbare Spektrum erweitern. So verfügt beispielsweise der Fangschreckenkrebs über 12 verschiedene Farbrezeptoren (siehe Abbildung A.11 Fangschreckenkrebs)! Er kann dadurch auch noch viel mehr Farbnuancen unterscheiden, die für uns Menschen nicht zu unterscheiden sind. Es gibt auch Berichte und Untersuchungen zu Menschen, die über vier verschiedene Arten von Farbrezeptoren verfügen. Diese bezeichnet man als Tetrachromaten.


kurz & knapp: Netzhaut

Auf der Netzhaut liegen die lichtempfindlichen Rezeptoren. Diese Rezeptoren reagieren, wenn Licht auf sie fällt und leiten diese Information dann über den Sehnerv an das Gehirn weiter. Dort formt das Gehirn aus den vielen Informationen das farbige Bild. Auf der Netzhaut befinden sich Rezeptoren für die Wahrnehmung der Helligkeit und für die unterschiedlichen Farben.

Von den Rezeptoren gibt es zwei unterschiedliche Arten:

      • die (Helligkeits-)Stäbchen
      • die (Farb-)Zapfen (siehe Abbildung A.12)


A.5 Vertiefung: Farbfehlsichtigkeiten

Nicht selten kommt er vor, dass Menschen über nur zwei statt drei Sorten von Farbrezeptoren verfügen. Dies bezeichnen wir als „Farbfehlsichtigkeit (siehe Abbildung A.13 Farbfehlsichtigkeiten)“. Sie kommt vor allem bei Männern vor und wird genetisch vererbt. Man kann unterschiedliche Arten von Farbfehlsichtigkeiten unterscheiden, je nachdem, welcher der drei Farbzapfen fehlt und daher für eine Unterscheidung der Lichtsignale ausfällt. Betrachten wir im Folgenden drei verschiedene Fälle und dazu gehörige Beispiele. Es ist jeweils links die Farbtafel dargestellt, auf der eine „normalsichtige Person“ einen Ring mit einer Lücke erkennen kann und rechts die Farbtafel, wie sie für einen entsprechend fehlsichtigen Menschen aussieht.
      • Beim Fehlen der S-Zapfen (sehr selten): Tritanopie Hier werden Informationen aus dem „blauen“ Bereich kaum durch die anderen beiden Farbzapfen detektiert.
      • Beim Fehlen der M-Zapfen (häufig für Farbfehlsichtigkeiten verantwortlich): Deuteranopie Hier entfällt die Unterscheidbarkeit im grünen bis roten und es entsteht ein Spektrum zwischen blauem und rotem Bereich.
      • Beim Fehlen der L-Zapfen: Protanopie Hier entfällt ebenfalls die Unterscheidbarkeit im grünen bis roten und es entsteht ein Spektrum zwischen blauem und rotem Bereich. Wellenlängen über 650 nm werden immer schwächer überhaupt wahrgenommen.

A.6 Die Grenzen der objektiven Betrachtung

Wir dürfen außerdem bei der Betrachtung unseres Farbsehens nicht übersehen, dass sich unsere optischen Sinneseindrücke nicht vollständig objektiv-physikalisch klären lassen. Es handelt sich bei der Verarbeitung der Signale in unserem Gehirn nicht um eine rein mechanismusgeleitete Angelegenheit, sondern vielmehr um einen komplexen kognitiven Prozess, in den auch unsere Erfahrungen, die vorangegangenen Sinneseindrücke und die Informationen der Umgebung eingehen. Ähnliches trifft ja auch auf unser Temperaturempfinden zu: Kommen wir aus einem kälteren in einen mittelwarmen Raum, so wird uns letzterer wärmer vorkommen, als wenn wir aus einem warmen Raum in den mittelwarmen gewechselt sind. Wir betrachten dies noch näher in Abschnitt D.