Lerntext Auge (pdf-Download)

Roland Heynkes, 6.3.2018

Auf dieser Seite sammle ich zum Nachlesen und Lernen, was ich bei meiner Unterrichts-Vorbereitung interessantes über das Auge herausgefunden habe. Zur Einführung und als buchunabhängige Grundlage zeige ich gerne den Kurzfilm: "total phänomenal - Superaugen", den man im Wissenspool von "planet schule" finden und sich ansehen kann, so oft man möchte.

Gliederung

zum Text Unterschiedliche Ausprägungen des Sehsinns
zum Text Lichtsinneszellen und die Netzhaut
zum Text Facettenaugen
zum Text Linsenaugen konzentrieren das Licht wie Brenngläser
zum Text Aufbau des menschlichen Auges
zum Text natürlicher und künstlicher Schutz für unsere Augen
zum Text Die Komponenten des optischen Systems Auge
zum Text Sehen bei Tag und Nacht
zum Text Hell/Dunkel-Adaptation per Pupillenreflex
zum Text Die Bildumkehrung
zum Text Ursache und Regeln der Lichtbrechung
zum Text Akkommodation
zum Text Weitsichtigkeit
zum Text Kurzsichtigkeit
zum Text Hornhautverkrümmungen führen zu Astigmatismus
zum Text Merksätze
zum Text Farbensehen bei Mensch und Tier
zum Text kindliches Farbensehen
zum Text Blindheit
zum Text Pupillen-Kommunikation
zum Text Zusammenfassung der Dokumentation: "Unsere Sinne 1 Das Auge"
zum Text Die beste Kamera der Welt - praxis kompakt
zum Text Biologietest Auge
zum Text weiterführende Quellen
zum Text

Unterschiedliche Ausprägungen des Sehsinns nach oben

Verschiedene Tierarten nehmen die Welt sehr unterschiedlich wahr. Während Hunde und Bären vor allem ihren großen Nasen folgen, sind Katzen und Menschen eher Augentiere. Es gibt auch ganz blinde Termiten, Fische und Grottenolme, aber die meisten Tiere besitzen irgend eine Art von Augen. Und die können sehr unterschiedlich sein. So haben Regenwürmer zahlreiche lichtempfindliche Sinneszellen in ihrer Haut. Die können zwar nur zwischen Hell und Dunkel unterscheiden, aber Regenwürmer müssen ja auch nur wissen, wann ihr Leben durch Sonnenstrahlen bedroht wird. In ihrem Lebensraum unter der Erde würden ihnen leistungsfähigere Augen nicht helfen. Salamander schützen ihre empfindliche Haut nicht durch ein unterirdisches Leben, sondern indem sie nachts jagen. Sie brauchen Augen, mit denen sie ihre Beute finden. Deshalb können die Augen dieser nachtaktiven Tiere auch dann noch sehr gut sehen, wenn unsere menschlichen Augen in der Dunkelheit absolut nichts mehr wahrnehmen. Bekanntere Beispiele für Tiere mit extrem Licht-emfindlichen Augen sind Eulen und Katzen.

Noch nicht lange bekannt ist, dass auch Pflanzen ähnlich wie Regenwürmer und viele Seesterne Licht mit einzelnen Lichtsinneszellen wahrnehmen und deshalb ihre inneren Uhren nach der Sonne stellen können. Es gibt sogar einzellige Lebewesen wie die Mikroalge Erythropsis pavillardi, die im Grunde selber Augen mit Linse, Glaskörper und einer Netzhaut-ähnlichen Struktur sind.

Das folgende, in der Wikimedia Commons zu findende Schema eines anonymen Zeichners zeigt die Entwicklung des Linsenauges im Verlauf der Evolution.

Evolution der Augen
Evolution der Augen aus Wikimedia Commons
  1. Flachauge (z.B. bei Quallen und Seesternen)
  2. Grubenauge (z.B. bei verschiedenen Napfschnecken)
  3. Lochkamera-Auge (z.B. bei dem Urtintenfisch Nautilus)
  4. einfaches Linsenauge ohne Iris (z.B. bei Würfelquallen, vielen Tintenfischen und bestimmten Schnecken)
  5. Linsenauge mit einer Iris (z.B. bei Sepien, Kalmaren und Kraken)
Die Evolution der Augen begann vor mindestens 540 Millionen Jahren. Seit etwa 440 Millionen Jahren gibt es alle Augengrundformen, die wir heute kennen.
anonymer Zeichner und anonymer Übersetzer, Public domain

Etwas mehr als die Lichtsinneszellen in der Haut der Regenwürmer leisten die Grubenaugen von Schnecken. Sie können grobe Umrisse und die Richtung erkennen, aus der das Licht kommt. Noch weiter entwickelt ist das einer Lochkamera ähnelnde Auge des urtümlichen Krakenverwandten Nautilus. Es kann schon richtige Bilder erzeugen, wenn auch nur unscharf. Der schon deutlich weiter entwickelte Krake sieht mit seinen großen Augen ähnlich gut wie wir Menschen. Das liegt daran, dass seine wie unsere Augen eine Augenlinse enthalten, die das Licht am hinteren Ende des Auges auf einem Punkt der sogenannten Netzhaut bündelt. Das bedeutet, dass auf einem einzigen Punkt der Netzhaut alle Lichtstrahlen ankommen, die von einem Punkt eines Gegenstandes ausgehend die sehr viel größere Fläche der Augenlinse erreichten. So verstärkt die Sammellinse wie ein Brennglas die Helligkeit beziehungsweise die Lichtintensität, mit der die Lichtsinneszellen der Netzhaut angeregt werden.

Lichtsinneszellen und die Netzhaut nach oben

Sinneszellen können Reize aus dem Körper oder aus der Umwelt aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln, die dann von Nervenzellen zum Gehirn geleitet und dort ausgewertet werden. So tragen Sinneszellen zur Wahrnehmung seiner Umwelt durch ein Lebewesen bei. Sinneszellen sind auf bestimmte Reize spezialisiert und befinden sich beim Menschen überwiegend in Sinnesorganen.

Auf Licht reagierende Sinneszellen heißen Lichtsinneszellen oder eher technisch ausgedrückt Fotorezeptoren. Beim Menschen befinden sie sich in den Augen. Innerhalb des Auges konzentrieren sich die Lichtsinneszellen auf die Netzhaut. Netzhaut oder Retina heißt die innerste Schicht in der Wand des Auges direkt unter dem Glaskörper bzw. dem Kammerwasser. Der sehende Bereich der Netzhaut (Pars optica retinae oder sehende Netzhaut) enthält außer den Lichtsinneszellen auch Nervenzellen. Aus der Netzhaut ragen die Lichtsinneszellen in die dahinter liegende Pigmentschicht hinein. Das schirmt sie ab vor seitlichem Streulicht.

Die in der Netzhaut des Sinnesorgans Auge zusammengefassten Lichtsinneszellen sind alle ähnlich aufgebaut, weil sie sich unter sehr ähnlichen Bedingungen aus den selben Stammzellen entwickelt haben. Sie müssen auch ähnlich aufgebaut sein, weil sie sehr ähnliche Aufgaben haben. So wie man besser mit einem Hammer als mit einer Schere hämmern und besser mit einer Schere als mit einem Hammer schneiden kann, so ist auch der Aufbau einer Sinneszelle an ihre Aufgabe angepasst. In biologischen Systemen wurde über lange Zeiträume jede Struktur an ihre Funktion angepasst. Deshalb besteht in der Biologie fast immer ein Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion.

Die Aufgaben unserer Lichtsinneszellen sind zwar sehr ähnlich, aber nicht identisch. Darum müssen sie sich auch strukturell ein wenig von einander unterscheiden. Wir haben lichtempfindlichere Stäbchen und drei Sorten wesentlich weniger lichtempfindlicher Zapfen. Jede der drei Sorten von Zapfen reagiert auf eine andere Lichtfarbe mit maximaler Empfindlichkeit. Darum können wir bei ausreichender Beleuchtung alle Farben sehen, die sich durch Mischung dieser drei Lichtfarben erzeugen lassen. Die meisten anderen Säugetiere sehen die Welt deutlich weniger farbig als wir, weil sie nur zwei Sorten von Zapfen besitzen. Vögel sowie viele Fische, Krebse und Insekten sehen sogar mehr Farben als wir. Während der Vorherrschaft der Dinosaurier waren die Säugetiere sehr wahrscheinlich zu einer nachtaktiven oder unterirdischen Lebensweise gezwungen. Vermutlich ist das der Grund für das verglichen mit Vögeln schwach ausgeprägte Farbensehen der Säugetiere. Die meisten Säugetiere besitzen nur zwei Sorten von Farbsinneszellen (Zapfen) und sehen deshalb nur Farben, die sich aus blauem und grünem Licht mischen lassen. Vergleiche menschlicher und anderer Primaten-Genome haben gezeigt, dass es vor einigen Millionen Jahren in einem frühen Menschenaffenvorfahren auf dem X-Chromosom zu einer Verdopplung des Gens für das auf grünes Licht reagierende Lichtsinneszell-Pigment kam. Eine der beiden Kopien mutierte so, dass wir und unsere nächsten Verwandten unter den Primaten heute auch rotes Licht wahrnehmen und dadurch reife von unreifen Früchten unterscheiden können.

Besonders viele Zapfen gibt es an dem Buckel, den man im Deutschen als gelben Fleck und in der Fachsprache als Fovea centralis bezeichnet. Dieser an einen Vulkankrater erinnernde gelbe Fleck soll erst nach etwa 4 Jahren ausgewachsen sein. Unten im Krater haben wir nur Zapfen und jeder von ihnen sendet seine Signale zum Gehirn, während sich weiter außen in der Netzhaut immer mehrere Lichtsinneszellen eine Nervenfaser zum Gehirn teilen müssen. Deshalb ist der gelbe Fleck der Ort unseres schärfsten und farbigsten Sehens, an dem wir aber wegen der fehlenden Stäbchen nachts praktisch blind sind.

In der Dämmerung können wir Menschen nicht farbig sehen, weil wir nur eine Sorte ausreichend lichtempfindlicher Stäbchen besitzen. Diese sollen aber so emfindlich sein, dass einem Fötus für erste Seheindrücke schon das sehr schwache Licht ausreicht, das durch den Bauch der Mutter in seine Augen gelangt.

Wird ein Bild unserer Umwelt auf unsere Netzhaut projeziert, dann erstreckt es sich über sehr viele Lichtsinneszellen, von denen jede nur von einem kleinen Teil der Gesamtinformation zum Gehirn schicken kann. Darum kann das Bild erst im Gehirn zusammengesetzt und wahrgenommen werden. Die elektrischen Signale der Lichtsinneszellen werden (schon in der Netzhaut) kontrastverstärkend verarbeitet. Die Ergebnisse der ersten Verarbeitung werden als elektrische Signale durch die beiden Sehnerven an das Gehirn übermittelt. Unter Zuhilfenahme von Erinnerungen werden im Gehirn die von beiden Augen kommenden Informationen zu einem räumlichen Bild zusammengesetzt. Dabei nehmen wir bevorzugt wahr, womit wir uns gerade beschäftigen und was wir kennen. Wir kennen die ungefähren Größen vieler Gegenstände und wissen in etwa, wie stark deren scheinbare Größe mit der Entfernung abnimmt. Und unser Gehirn versucht immer, die von ihm selbst konstruierten Bilder stimmig zu machen, indem es die wahrgenommenen Entfernungen an die gesehenen Größen anpasst. Gelingt es ihm nicht, Wahrnehmungen mit Hilfe logischer Erklärungen mit unseren Erinnerungen in Einklang zu bringen, dann reagieren wir verwirrt.

Von unseren Lichtsinneszellen erwartet das Gehirn Informationen über die räumliche Verteilung der Intensitäten bestimmter Frequenzbereiche des sichtbaren Lichts. Deshalb kann das Gehirn mit der Information nichts anfangen, wenn Lichtsinneszellen auf einen Schlag genau wie auf Licht reagieren. Die Reaktion der Sinneszellen auf den Schlag ist nicht angemessen (brauchbar) und deshalb ist auch der Schlag selbst kein adäquater Reiz. Beim eigentlich passenden Reiz Licht kann die Stärke unpassend sein. Es sollte weder zu stark noch zu schwach sein.

Als Adaptation bezeichnet man unter anderem die Anpassung unserer Augen an unterschiedliche Helligkeit in unserem Gesichtsfeld. Diese Anpassung geschieht einerseits blitzschnell durch den Pupillenreflex und zusätzlich deutlich langsamer, aber um Größenordnungen stärker durch biochemische Veränderungen in den Lichtsinneszellen (Photorezeptoren) und Reaktionen der darüber liegenden Nervenzellen in der Netzhaut (retinale Adaptation).

Blinder Fleck oder Discus nervi optici heißt der Bereich der Netzhaut (Retina), in dem es keine Lichtsinneszellen gibt, weil an dieser Stelle der Sehnerv das Auge nach hinten verlässt.

Jede Zelle hat eine innere Uhr, welche die zeitliche Abfolge vieler Stoffwechsel-Prozesse steuert. Sie scheint zu den ältesten "Erfindungen" des Lebens zu gehören und für Lebewesen elementar wichtig zu sein. Mehrzellige Lebewesen brauchen zusätzlich einen Mechanismus zur Koordinierung der inneren Uhren all ihrer Zellen. Bei uns scheint ein Netzwerk von Nervenzellen im Gehirn diese Aufgabe zu erfüllen. Sie empfangen Signale von speziellen Lichtsinneszellen in den Augen, die besonders empfindlich auf blaues Licht reagieren. Mit Hilfe dieser besonderen Lichtsinneszellen passen wir täglich neu morgens und abends unsere inneren Uhren an den Stand der Sonne an, sofern das möglich ist. (Im Polarsommer und im Polarwinter funktioniert das nicht.) Weil es im Sommer viel länger hell ist als im Winter, sind wir von Natur aus im Winter früher und länger müde. Die täglich durch die Augen korrigierte zentrale innere Uhr im Gehirn übermittelt die Korrekturen durch Hormone an die inneren Uhren aller normalen Zellen.

Facettenaugen nach oben

Genau wissen wir es nicht, aber wahrscheinlich können die Facettenaugen der Insekten weniger scharf als Säugetier-Augen sehen. Dafür sehen sie aber wesentlich schneller. Während für uns schon 16 Bilder pro Sekunde zu einem Film verschmelzen, kommt es zu diesem Effekt bei Fliegen erst bei etwa 200 Bildern pro Sekunde. Ihre Facettenaugen können aus etwa 4000 Einzelaugen bestehen.

Linsenaugen konzentrieren das Licht wie Brenngläser nach oben

Linsenaugen kommen mit wenig Licht aus und produzieren auf der Netzhaut relativ scharfe Bilder, weil sie wie Brenngläser das mit einer größeren Fläche eingefangene Licht auf sehr kleine Flächen konzentrieren.

Schema der Lichtsammlung durch die Sammellinse
Bildumkehrung
Dieses Schema soll anschaulich machen, wie unsere Linsenaugen mittels Tränenfilm, Augenhornhaut, Kammerwasser, Augenlinse und Glaskörper das auf die Augenlinse fallende Licht sammeln. Auf der Augenlinse ist es noch auf eine relativ große Fläche verteilt und deshalb schwach. Doch hinter der Augenlinse konzentriert sich das Licht zunehmend, bis es schließlich auf einer winzigen Fläche der Netzhaut gebündelt und dadurch sehr viel heller ist.

Aufbau des menschlichen Auges nach oben

Man findet im Internet und sogar in medizinischen Fachbüchern Beschreibungen sowie schematische Darstellungen vom Aufbau des menschlichen Auges, die sich gegenseitig widersprechen und für Verwirrung sorgen. Weil aber in der Biologie das Verständnis von Funktionen stark von der genauen Kenntnis biologischer Strukturen abhängt, sollten Biologielehrer nicht einfach unkritisch die Inhalte von Biologiebüchern vermitteln, sondern möglichst viele Quellen studieren und sich selbst ein genaues Bild von den tatsächlichen Verhältnissen machen. Die Ergebnisse meiner Recherche verraten meine Zeichnungen, Beschriftungen und Fahrten durch ein menschliches Auge, die man auf einer Extraseite für besonders Interessierte findet. Man gelangt auch auf diese Seite, indem man auf das folgende Schema klickt. Es enthält weniger Details und vereinfacht noch stärker, sollte aber geeigneter für den Unterricht sein. Da es sich um eine Vektorgrafik handelt, kann man sie ohne Qualitätsverlust sehr stark vergrößern, um alle Details gut erkennen zu können.

vereinfachtes Schema eines Vertiktalschnittes durch das menschliche Auge
Augenvertikalschnitt
  1. Die zahlreichen Blutgefäße der Aderhaut (Choroidea) versorgen benachbarte Schichten mit Sauerstoff und Nährstoffen.
  2. Die Augenhornhaut (Cornea) ist ein lichtdurchlässiges Fenster in der Augenlederhaut. Die Augenhornhaut bestimmt die Krümmung des Tränenfilms und damit die Stärke der Lichtbrechung durch den Tränenfilm.
  3. Die Augenlederhaut (Sclera) ist eine derbe, zugfeste Schutzschicht des Augapfels. Ähnlich wie das Leder eines aufgepumpten Balles widersteht sie dem Druck des Glaskörpers und sorgt dadurch gemeinsam mit derm Glaskörper für eine stabile, kugelige Form des Auges.
  4. Augenlid-Ringmuskel kann man einen Muskel nennen, der in Form vieler Muskelfaserbündel ringförmig durch beide Augenlider verläuft und das Auge schließt.
  5. Die Augenlinse sammelt von einem Punkt ausgehende Lichtstrahlen auf einer relativ großen Fläche und lenkt sie alle zu einem Punkt auf der Netzhaut. Das ermöglicht scharfes Sehen auch in der Dämmerung. Die Veränderbarkeit ihrer Brechkraft ermöglicht die Akkommodation.
  6. Die Augenmuskeln bewegen den Augapfel.
  7. Becherzellen in der Bindehaut produzieren einen Schleim, der direkt auf der Augenhornhaut klebt.
  8. Die Bindehaut ist eine Schleimhaut auf der Rückseiten der Augenlider und auf dem sichtbaren Teil der Augenlederhaut. Sie verteilt bei jedem Blinzeln frische Tränenflüssigkeit auf der Augenhornhaut.
  9. Am blinden Fleck fehlen die Lichtsinneszellen, weil dort der Sehnerv (Nervus opticus) den Augapfel verlässt.
  10. Der gelbe Fleck ist aufgrund der höchsten Zapfendichte der Ort des schärfsten und farbigsten Sehens. Weil ihm Stäbchen fehlen, ist er in der Dämmerung blind.
  11. Der Glaskörper (Corpus vitreum) füllt das Auge und verhindert, dass es nach innen eingebeult wird.
  12. Die hintere Augenkammer (Camera posterior bulbi) ist mit Kammerwasser gefüllt, welches weniger dicht als die Augenlinse sein muss, damit die Lichtstrahlen beim Austritt aus der Augenlinse gebrochen werden. Es transportiert Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen der Augenlinse und der Augenhornhaut.
  13. Die Iris umgibt die Pupille und begrenzt den Licht-Einfall ins Auge.
  14. Der Iris-Öffner (Musculus dilatator pupillae) ist ein Muskel, dessen Muskelfasern in der Iris strahlenförmig von innen nach außen ziehen und deshalb die Pupille vergrößern, wenn sie sich anspannen.
  15. Der Iris-Ringmuskel (Musculus sphincter pupillae) liegt in der Iris ringförmig um die Pupille herum und zieht diese zu, wenn er sich anspannt.
  16. Kammerwinkel nennt man den spitzen Rand der vorderen Augenkammer, wo Iris und Augenhornhaut sich treffen. Direkt neben dem Kammerwinkel befindet sich in der Augenlederhaut das sogenannte Trabekelwerk, durch welches das Kammerwasser abfließt.
  17. Die Lichtsinneszellschicht ist die äußere innerhalb der Netzhaut (Retina). In ihr reagieren die Lichtsinneszellen auf eintreffende Lichtteilchen (Photonen), indem sie kurze elektrische Signale erzeugen und auf Nervenzellen übertragen.
  18. Lidknorpel heißt eine feste Schicht aus Bindegewebe in den Augenlidern. Sie überträgt die Zugkraft des Oberlidhebers auf das Augenlid. In ihr befinden sich die Talg produzierenden Meibom-Drüsen.
  19. Der Linsen-Ringmuskel (Musculus compressor lentis oder Müller-Muskel) steuert die Akkommodation. Wenn sich seine Ringmuskelfasern (Fibrae ciliares musculi ciliaris) anspannen, dann reduziert sich sein Durchmesser und er zieht weniger an den Linsenbändern. Das ermöglicht es der Augenlinse, eine kugeligere Form anzunehmen und das Licht stärker zu brechen.
  20. Linsenbänder (Zonulafasern oder Fibrae zonulares) verbinden den Augenlinsen-Ringmuskel mit der Augenlinse.
  21. Nervenzellschichten liegen in der Netzhaut (Retina) innen auf der Lichtsinneszellschicht. In mehreren Schichten unterschiedlicher Nervenzellarten nehmen Nervenzellen die Signale der Lichtsinneszellen auf, verarbeiten sie schon und leiten dann die optimierten Signale durch den Sehnerv (Nervus opticus) ins Gehirn.
  22. Oberlidheber (Musculus levator palpebrae superioris) kann man einen Muskel nennen, der über dem Auge liegt und den Lidknorpel nach oben zieht, um das Augenlid zu öffnen.
  23. Pigmentepithel heißt eine relativ Licht-undurchlässige Schicht, die möglichst viel Licht schluckt (absorbiert), um die optischen Eigenschaften des Auges zu verbessern. (Sie liegt als retinales Pigmentepithel direkt unter den Lichtsinneszellen auf der Aderhaut. Es bedeckt aber auch den Strahlenkörper und die Rückseite der Regenbogenhaut (Iris).
  24. Pupille nennt man das Loch im Zentrum der Iris. Sie sieht schwarz aus, weil sie viel Licht hinein, aber nur sehr wenig Licht wieder heraus lässt.
  25. Schädelknochen schützen das Auge in der Augenhöhle.
  26. Der Schlemmkanal (Sinus venosus sclerae) durchzieht die Augenlederhaut direkt unter dem Trabekelwerk am Kammerwinkel und sammelt das durch das schwammartige Trabekelwerk eindringende Kammerwasser und gibt es an Venen (Venae ciliares anteriores) ab.
  27. Sehen verbinden Muskeln mit Knochen oder anderen Körperteilen, die bewegt werden sollen.
  28. Der Sehnerv (Nervus opticus) bringt die Informationen aus dem Auge ins Gehirn.
  29. Sehnervadern (zentrale Blutgefäße, Vasa centralis retinae) versorgen die Aderhaut mit Blut.
  30. Der Strahlenkörper (Corpus ciliare oder Ziliarkörper) produziert Kammerwasser und zieht unterschiedlich stark an den Linsenbändern.
  31. Das Trabekelwerk ist ein schwammartiger Teil der Augenlederhaut und lässt das Kammerwasser in den Schlemmkanal eindringen.
  32. Zu den Tränendrüsen gehören die Meibom-Drüsen, die Zeis-Drüsen und die Moll-Drüsen. Sie produzieren ein Lipid-reiches Sekret, welches sich auf den Tränenfilm legt und dessen Austrocknung reduziert.
  33. Zu den Tränendrüsen gehören auch die großen Tränendrüsen am Lidknorpel sowie die kleinen Krause- und Wolfring-Drüsen, die alle wässrige Tränenflüssigkeit produzieren.
  34. Der Tränenfilm bedeckt die Augenhornhaut, ernährt ihre Zellen, schützt sie vor Austrocknung und Krankheitserregern, spült kleine Fremdkörper zu den Augenwinkeln und verbessert entscheidend ihre optischen Eigenschaften, weil er alle kleinen Unebenheiten der Augenhornhaut ausgleicht. An seiner perfekt glatten Oberfläche erfolgt der größte Teil der Licht-Brechung.
  35. Venen transportieren Blut zum Herzen.
  36. Ein Verschiebespalt ist ein sehr lockeres Bindegewebe, dessen Fasern einfach gestaucht oder gestreckt werden, wenn die beiden benachbarten Schichten gegeneinander bewegt werden. (Beispiele im Auge sind das (Spatium episcleralis) zwischen Augenlederhaut und Tenon-Kapsel sowie das Spatium perichoroideum) zwischen Aderhaut und Augenlederhaut.)
  37. Der vorderen Augenkammer ((Camera-anterior-bulbi) fließt das Sauerstoff- und Nährstoff-reiche Kammerwasser durch die Pupille aus der hinteren Augenkammer (Camera posterior bulbi) zu.
  38. Wimpern schützen uns vor Schweiß- und Regentropfen (gemeinsam mit den Augenbrauen) sowie oft davor, dass etwas größere Fremdkörper unsere Augenhornhäute verletzen.

natürlicher und künstlicher Schutz für unsere Augen nach oben

Augenbrauen und Wimpern schützen unsere Augen vor Schweiß. Die Augenlider sollen durch unwillkürliches Schließen das Eindringen von Schmutz verhindern. Durch regelmäßiges Blinzeln müssen sie die Augen mit Tränenflüssigkeit befeuchten, die auch Krankheitserreger abtötet und Fremdkörper wie Staub in die Augenwinkel spült, von wo sie durch die Tränenkanäle, den Tränensack und den Tränennasengang in die Nase fließen.

Tränendrüse und Tränenabfluss
Unser Tränensystem aus Wikimedia Commons
  1. Augenbraue
  2. Tränendrüse
  3. Augenlid
  4. Wimpern
  5. oberes Tränenröhrchen
  6. unteres Tränenröhrchen
  7. Tränensack
  8. Tränennasengang
  9. Pupille
  10. Iris
Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0

Vor Spänen, Funken und ätzenden Stoffen können Schutzbrillen schützen. Sehr helles Licht und besonders die meistens im Licht enthaltene UV-Strahlung kann im Übermaß nicht nur Falten, Sonnenbrand und schlimmstenfalls Hautkrebs verursachen, sondern auch die empfindlichen Lichtsinneszellen absterben lassen. Das UV-Licht trübt außerdem auf die Dauer die Augenlinse, verursacht also den sogenannten grauen Star. Weil unser Körper diese Schäden nicht reparieren kann, sollte man besonders am Strand und in den Bergen eine Sonnenbrille tragen. Dabei ist aber unbedingt darauf zu achten, dass die Sonnenbrille wirklich kein UV-Licht durchlässt. Billige Sonnenbrillen ohne UV-Schutz wären sehr gefährlich, weil die Abdunklung zu einer Öffnung der Iris führt und dadurch noch mehr UV-Licht durch die Pupille käme.

Die Komponenten des optischen Systems Auge nach oben

Der Tränenfilm bedeckt die Augenhornhaut, ernährt ihre Zellen, schützt sie vor Austrocknung und Krankheitserregern, spült kleine Fremdkörper zu den Augenwinkeln und verbessert entscheidend ihre optischen Eigenschaften, weil er fast alle Unebenheiten der Augenhornhaut ausgleicht. An seiner perfekt glatten Oberfläche erfolgt der größte Teil der Licht-Brechung.
Die Augenhornhaut schließt das Auge nach vorne hin ab und verhindert ein Auslaufen des Kammerwassers. Außerdem bestimmt sie die Krümmung des Tränenfilms und hat damit einen großen Einfluss darauf, wie stark und wohin das Licht durch den Tränenfilm gebrochen wird.
Das vom Strahlenkörper produzierte Kammerwasser fließt von der hinteren in die vorderen Augenkammer, wo es durch das Trabekelwerk in den Schlemmkanal gedrückt und von Venen abgeleitet wird. Das Kammerwasser ernährt die Zellen von Augenhornhaut und Augenlinse. Außerdem drückt es von innen gegen die Augenhornhaut und bringt sie in Form. Der Augenlinse und der Iris geben die beiden Augenkammern die Möglichkeit, innerhalb des Kammerwassers ungehindert ihre Formen zu verändern.
Die Iris bestimmt die Größe der Pupille und damit die Menge des Lichts, das die Augenlinse erreicht.
Die Augenlinse dient dazu, durch ihre Verformung die Brechkraft des Auges verändern zu können.
Der Glaskörper drückt von innen alle anderen Bestandteile des Auges gleichmäßig nach außen und hält so gemeinsam mit der druckfesten Augenlederhaut die Form des Auges stabil.
Die Nervenzellschichten nehmen die Signale der Lichtsinneszellen auf, werten sie teilweise schon aus und leiten die verarbeiteten Signale weiter zum Sehnerv, der sie zum Gehirn bringt.
In der darunter liegenden Schicht produzieren Lichtsinneszellen elektrische Signale und geben diese an die Nervenzellen weiter, wenn sie von Lichtteilchen getroffen werden.
Ungenutzt durch die Lichtsinneszellschicht dringende Photonen werden vom dunklen Pigmentepithel abgefangen (absorbiert), damit sie nicht reflektiert werden und benachbarte Lichtsinneszellen anregen.

Sehen bei Tag und Nacht nach oben

Ähnlich wie Eulen können wir mit unseren nach vorne gerichteten Augen sehr gut räumlich sehen und Entfernungen sowie Größen abschätzen. Aber anders als Eulen sehen wir nachts sehr schlecht. Viele nachtaktive Tierarten wie Katzen und Eulen haben im Laufe ihrer Evolution Augen entwickelt, die auch im Dunkeln sehr gut sehen. Manche haben extrem große Augen, andere besitzen eine Art Restlichtverstärker unter/hinter der Netzhaut. Deren Augen nutzen das Licht doppelt, indem es ganz hinten im Auge von einer spiegelartigen Schicht zurück geworfen wird und noch einmal die Lichtsinneszellen anregt. Man erkennt solche Tiere daran, dass ihre Augen im Scheinwerferlicht leuchten.

Hell/Dunkel-Adaptation per Pupillenreflex nach oben

Auch wenn wir im Dunkeln schlecht sehen, können sich unsere Augen doch über einen sehr weiten Bereich an verschiedene Helligkeiten anpassen. Fällt plötzlich mehr Licht in unsere Augen, dann spannt sich in der Iris rund um die Pupille ein Ringmuskel (Iris-Ringmuskel, Musculus sphincter pupillae oder Pupillenverenger) an. Dadurch verringert sich sein Durchmesser und er zieht die Iris weiter nach innen. Dies verkleinert die Pupille und weniger Licht kommt ins Auge. Wird es dunkler, dann entspannt sich der Iris-Ringmuskel und der Iris-Öffner (Musculus dilatator pupillae oder Pupillenerweiterer) spannt sich an. Dessen Muskelfasern ziehen in der Iris strahlenförmig von innen nach außen und vergrößern deshalb die Pupille, wenn sie sich anspannen. Dadurch fällt mehr Licht ins Auge, die Tiefenschärfe verringert sich, aber wir können so auch bei schwacher Beleuchtung etwas sehen. Diese Anpassung unserer Augen an unterschiedlich helles Licht nennt man Adaptation (genauer Pupillen-Adaptation durch den Pupillenreflex, denn es gibt auch noch die retinale Adaptation in der Retina).

Die Bildumkehrung nach oben

Gelangt mit Hilfe der Augenlinse das Licht von vielen Punkten eines größeren Gegenstandes auf die Netzhaut unserer Augen, dann entsteht dort ein spiegelverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild, weil alle Lichtstrahlen durch unsere relativ enge Pupille müssen. Von der Oberkante eines großen Gegenstandes treffen nur nach unten gerichtete Lichtstrahlen unsere Pupille, von seiner Unterkante nur Lichtstrahlen, die schräg nach oben auf die Pupille gerichtet sind. Erst im Gehirn wird das Bild korrigiert.

Die Bildumkehrung findet aber auch dann statt, wenn der betrachtete Gegenstand kleiner als die Pupille ist. Das liegt einfach daran, dass die Lichtstrahlen umso stärker gebrochen werden, je schräger sie auf eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien (Luft/Augenhornhaut, Augenhornhaut/Kammerwasser, Kammerwasser/Augenlinse, Augenlinse/Glaskörper) treffen. Das folgende Schema soll dies veranschaulichen.

Schema der Bildumkehrung
Bildumkehrung
Die roten und schwarzen Linien stellen Lichtstrahlen dar, die vom unteren bzw. oberen Ende eines kleinen Gegenstandes ausgehen und durch Augenhornhaut und Augenlinse in zwei Punkten auf der Netzhaut gebündelt werden.

Ursache und Regeln der Lichtbrechung nach oben

Um die optischen Eigenschaften des menschlichen Auges zu verstehen, benötigen wir ein wenig physikalisches Grundwissen, das ich hier so einfach wie möglich, also ohne Mathematik (Fermat und Snellius) zu erklären versuche. Die Geschwindigkeit des Lichts ist in einem leeren Raum (Vakuum) unabhängig von den Geschwindigkeiten der Licht-Quelle und der Beobachter immer gleich. Sie ist eine fundamentale Naturkonstante und allgemein bekannt als das c in Albert Einsteins berühmter Formel E = m mal c zum Quadrat. Hundertprozentig gilt das aber nur für absolutes Vakuum, wie es streng genommen nicht einmal im Weltraum vorkommt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist in Luft etwas und in Wasser erheblich geringer. Im Weltraum schaffen Lichtstrahlen definitionsgemäß 299.792.458 Meter pro Sekunde. Dringt aber beispielsweise Sonnenlicht in die Erdatmosphäre ein, dann wird es umso stärker abgebremst, je dichter die Luft wird. Auf Meereshöhe beträgt die Lichtgeschwindigkeit "nur" noch rund 299 710 km/s. Der Einfachheit halber rechnet man trotzdem mit einer Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde in Luft. In Wasser sind es aber nur 225.000 km/s und in dichten Gläsern sogar nur 160.000 km/s. Das liegt daran, dass sich die Photonen nur zwischen den Atomen und Molekülen der Materie mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegen können. Stoßen sie auf ein Atom oder Molekül, dann werden sie kurz aufgehalten, abgelenkt oder zurückgeworfen.

Die einzelnen Lichtteilchen fliegen also in dichterer Materie nicht langsamer, sondern sie müssen mehr Umwege nehmen und kommen nur deshalb insgesamt in ihrer ursprünglichen Richtung langsamer voran. Je länger sie sich durch dichtere Materie wie Wasser kämpfen müssen, umso mehr Lichtteilchen kommen völlig vom Weg ab, fliegen wieder zurück oder werden absorbiert (geschluckt). Aus diesem Grund wird es im Meer mit zunehmender Tiefe immer dunkler, während relativ viel Licht von der Meeresoberfläche unsere Augen erreicht. Eine weitere Folge ist die Erwärmung des Wassers durch die Absorption von Lichtteilchen.

Verlassen Lichtteilchen das dichtere Medium wieder, dann müssen sie plötzlich keine Umwege mehr fliegen und kommen deshalb wieder schneller voran. Sind viele von ihnen in der selben Richtung unterwegs, dann lässt sich beobachten, dass die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls plötzlich wieder zunimmt. Man wundert sich, durch welche Kraft der Lichtstrahl beschleunigt werden könnte. Aber die Lichtteilchen werden ja gar nicht beschleunigt, sondern lediglich nicht mehr durch soviele Umwege aufgehalten.

Weil Lichtteilchen auch Wellen sind, überlagern sie sich und können unsichtbar werden, wenn ihre Wellenberge und -täler nicht sozusagen im Gleichschritt nebeneinander laufen. Man kann sich das vorstellen, wenn man an Wasserwellen denkt, bei denen ja auch jeder Wellenberg und jedes Wellental eine gewisse Breite hat. Damit meine ich nicht den Abstand zwischen zwei Wellenbergen, sondern die Strecke, auf der ein Surfer quer zur Welle an deren Vorderseite surfen könnte. Wellen müssen breit sein, damit man sie überhaupt erkennen kann.

Wellen laufen auf einen Strand auf.
Wasserwellen
Johntex 2006, GNU Free Documentation License, Version 1.2

Laufen Wasserwellen schräg auf einen flachen Strand auf, dann kann man sehen, wie die Wellen ihre Richtung ändern und direkter auf den Strand zulaufen. Das liegt daran, dass die eine Seite der Welle den Strand eher als die andere Seite erreicht und entsprechend eher abgebremst wird. So kann man sich auch einen Lichtstrahl vorstellen, der schräg auf eine Wasserfläche stößt. Während auf der einen Seite die Photonen noch ein Stückchen ungebremst weiterfliegen können, kommen die Photonen auf der anderen Seite im Wasser nur noch deutlich langsamer voran. Würde dabei der Lichtstrahl nicht insgesamt seine Richtung ändern, dann blieben die Photonen nicht im Takt und man sähe keine Welle mehr. Diese vereinfachende Modellvorstellung soll das folgende Schema veranschaulichen.

Schema zur Ursache der Lichtbrechung an Luft/Wasser-Grenzschichten
Bildumkehrung
An einer Grenze zwischen Luft und Wasser sieht man einen breiten Lichtstrahl, in welchem größere Abstände zwischen gestrichelten Linien die in Luft größere Lichtgeschwindigkeit andeuten. Im darunter liegenden Wasser ist die Lichtgeschwindigkeit erheblich geringer. Das sollen die geringeren Abstände zwischen den gestrichelten Linien anzeigen. Trotzdem bleiben die gestrichelten Linien über und im Wasser verbunden, weil einfach der ganze Lichtrahl seine Richtung ändert.

Huygens erklärte die Lichtbrechung so, dass von jedem von einer Welle angeregten Ort eine neue Welle in alle Richtungen ausgeht. Weil das aber gleichzeitig an allen ebenfalls von der Welle angeregten Nachbarpunkten geschieht, ergibt sich jede in einem Lichtstrahl wandernde Wellenfront aus der Summe der sich überlagernden Mini- oder Elementarwellen. Was sich bei der Lichtbrechung ändert, ist demnach die Richtung der Wellenfronten. Und der Lichtstrahl ist dann die Richtung, in welche die Wellenfronten laufen. Ansehen und wohl leichter verstehen kann man auch das bei Wasserwellen.

Schema zur Ursache der Lichtbrechung an Luft/Wasser-Grenzschichten
Bildumkehrung
An einer Grenze zwischen Luft und Wasser nimmt mit der Lichtgeschwindigkeit auch der Abstand zwischen den Wellenfronten ab. Daraus ergibt sich eine abgeflachtere Form der Wellenfronten und daraus folgt, dass sich auch die Richtungen der Lichtstrahlen ändern.

Die Lichtbrechung ist umso stärker, je größer der Unterschied zwischen den Lichtgeschwindigkeiten in beiden Medien an der Grenzschicht ist. Lichtstrahlen werden aber auch umso stärker gebrochen, je schräger sie auf eine Grenzschicht auftreffen. Mein Schema sollte beides verständlich machen. Konkret für den Übergang von Lichtstrahlen zwischen Luft und Wasser zeigt das folgende Schema diesen Effekt mit realistischen Winkeln. In den anderen Zeichnungen sind die Brechungswinkel nicht naturgetreu, weil man sonst teilweise keine Brechung mehr erkennen könnte.

Schema der Lichtbrechung an Luft/Wasser-Grenzschichten
Bildumkehrung
Wechseln Lichtstrahlen mit Einfallswinkeln von 20 (schwarz), 60 (rot) oder 85 (85) Grad aus der Luft (oben) ins Wasser (unten), dann werden sie gebrochen und teilweise reflektiert. Aber während bei der Reflektion die Ausfallswinkel genau den Einfallswinkeln entsprechen, sind die Brechungswinkel kleiner als die Einfallswinkel (wobei beide Winkel relativ zu einer gedachten Senkrechten zur Wasseroberfläche gemessen werden). Dadurch kommt es zu einer Richtungsänderung des Lichtstrahls, die man Brechung nennt. Sie ist umso stärker, je schräger der Lichtstrahl auf die Grenzfläche trifft. Genau umgekehrt ist es, wenn man die Richtung der Lichtstrahlen umkehrt und einen Wechsel aus dem Wasser in die Luft betrachtet. Dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel.

Außer dem Einfallswinkel und dem optischen Dichteunterschied der beiden Materialien beeinflusst auch die Farbe des Lichts das Ausmaß seiner Brechung. Dieses Dispersion genannte Phänomen spielt für die Augen von Menschen und anderen tagaktiven Spezies keine wesentliche Rolle. Wer es trotzdem verstehen und seinen Zusammenhang mit den schlitzförmigen Pupillen von Katzen und anderen nachtaktiven Tieren kennen möchte, findet Erklärungen in den Glossar-Artikeln über Dispersion und Augenlinsen.

Akkommodation nach oben

Soll das Auge auch noch auf kurze Entfernungen scharf sehen, dann muss die Augenlinse das Licht stärker brechen bzw. krümmen. Sonst entstünde ein scharfes Bild erst hinter der Netzhaut. Um die Krümmung und die Brechkraft der Augenlinse zu steigern, spannt sich der ringförmig um die Augenlinse herum liegende Ziliarmuskel (Augenlinsen-Ringmuskel) an. Er verringert dadurch seinen Abstand zur Augenlinse. Das hat zur Folge, dass er nicht mehr so stark an den Linsenbändern zieht, die zwischen diesem Muskel und der Augenlinse gespannt sind. Und weil die Linsenbänder sie nicht mehr nach außen ziehen, kann sich die Augenlinse entspannen. Entspannung bedeutet aber bei der Augenlinse, dass sie runder bzw. kugelförmiger wird und das Licht stärker bricht. Leider funktioniert das nur bei jungen Augenlinsen gut. Ältere Augenlinsen bleiben flacher, brechen das Licht nicht mehr so stark und können sich deshalb nicht mehr so gut auf nahe Gegenstände einstellen. Aus diesem Grund halten Menschen mittleren Alters Bücher an immer weiter ausgestreckten Armen, bis die Armlänge nicht mehr ausreicht und man eine Lesebrille braucht.

Schema der Akkommodation
Akkommodation
Die schwarzen Linien stellen Lichtstrahlen dar, die von einem weit entfernten Punkt abgestrahlt wurden, auf größere Flächen von Augenhornhaut und Augenlinse fallen und von dort auf einen Punkt gebündelt werden. Liegt dieser Punkt direkt auf oder sehr nahe bei der Netzhaut, dann sehen wir den leuchtenden Punkt scharf. Treffen sich hingegen die Lichtstrahlen weiter vor oder hinter der Netzhaut, dann bilden sie auf der Netzhaut einen größeren Fleck und wir sehen den Punkt nur unscharf. Das selbe gilt für die von einem nahen Punkt ausgehenden roten Lichtstrahlen. Die beiden Abbildungen zeigen, warum wir nicht fern und nah gleichzeitig scharf sehen können und wie die Anspannung des Ringmuskels im Zilliarkörper eine stärkere Krümmung der Augenlinse ermöglicht, wodurch wir nahe gelegene Punkte scharf sehen können.

Weitsichtigkeit nach oben

Junge weitsichtige Menschen können nur weit entfernte Gegenstände scharf sehen, weil ihre Augäpfel zu kurz sind. Dadurch wird die Brechkraft der Augenlinse überfordert. Ihnen müssen Brillengläser oder Kontaktlinsen helfen, indem sie die Lichtstrahlen zusätzlich krümmen.

Schema der Weitsichtigkeit
Weitsichtigkeit
Die ersten beiden Abbildungen entsprechen dem Schema der Akkommodation. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Augapfel verkürzt ist und nahe Gegenstände deshalb selbst bei maximaler Augenlinsenkrümmung nicht scharf gesehen werden können. Die vierte Zeichnung zeigt, dass eine Brille mit konvexer Augenlinse durch ihre zusätzliche Lichtbrechung das Problem beseitigt. Jetzt treffen sich die von einem nahen Punkt ausgehenden roten Lichtstrahlen auf der Netzhaut.

Etwa ab der Lebensmitte werden die meisten Menschen aus dem oben schon erwähnten anderen Grund weitsichtig. Sie können die Lichtstrahlen nicht mehr ausreichend krümmen, weil ihre Augenlinsen zu starr geworden sind und immer schlechter die kugelige Form annehmen können.

Kurzsichtigkeit nach oben

Kurzsichtigkeit ist ein weltweit stark zunehmendes Problem. Glücklicherweise haben Forscher in weltweiter Zusammenarbeit inzwischen erkannt, warum die Kurzsichtigkeit in jüngeren Generationen soviel häufiger vorkommt als bei früheren Generationen. Zuviele Kinder sehen heute zu selten die Sonne. Mindestens zwei Stunden pro Tag sollten Kinder draußen im Freien spielen, damit sich ihre Augäpfel richtig entwickeln. Bei kurzsichtigen Menschen sind die Augäpfel etwas zu lang. Sie können ihre Augenlinsen gar nicht so flach ziehen, wie es nötig wäre, damit weit entfernte Gegenstände nicht schon vor der Netzhaut abgebildet werden. Kurzsichtige brauchen deshalb Brillen, die der zu starken Brechung der Augenlinse entgegenwirken.

Schema der Kurzsichtigkeit
Kurzsichtigkeit
Die ersten beiden Abbildungen zeigen ohne Brille eine Akkommodation von nah auf fern. Um Gegenstände in geringer Entfernung zu sehen, müssen allerdings Kurzsichtige selten ihre Ringmuskeln voll anspannen und ihre Augenlinsen erreichen selten die maximale Wölbung. Man sieht das, wenn man die erste Zeichnung dieses Schemas mit der dritten Zeichnung des Schemas der Weitsichtigkeit vergleicht. Die zweite Zeichnung zeigt, dass Kurzsichtige selbst bei ganz flach gezogener Augenlinse weit entfernte Gegenstände nicht scharf sehen können, weil sich die von ihm kommenden Lichtstrahlen immer noch vor der Netzhaut treffen. Die dritte Zeichnung zeigt, dass eine Brille mit konkaver Augenlinse durch ihre entgegengesetzte Lichtbrechung das Problem beseitigt. Jetzt treffen sich die von einem fernen Punkt ausgehenden schwarz dargestellten Lichtstrahlen auf der Netzhaut.

Hornhautverkrümmungen führen zu Astigmatismus nach oben

Ist die durchsichtige Augenhornhaut (Cornea) vor der Pupille nicht gleichmäßig nach außen gewölbt, dann spricht man von einer Hornhautverkrümmung. Sie bewirkt, dass nicht alle von einem Punkt ausgehenden und durch die Pupille ins Auge gelangende Lichtstrahlen genau an einem Punkt auf der Netzhaut gebündelt werden. Dadurch sieht man bestimmte Bereiche eines Bildes unscharf. Statt eines Punktes sehen die Betroffenen längliche Lichtflecken. Solche Sehfehler heißen Astigmatismus (abgeleitet vom griechischen A = nicht und Stigma = Punkt, also keine scharfen Punkte) oder Stabsichtigkeit. Die meisten Menschen haben einen leichten Astigmatismus, den sie gar nicht bemerken. Wer einen starken Astigmatismus hat, kann das beim Anschauen regelmäßiger Muster selbst erkennen. Astigmatismus kann zu Augenbrennen und Kopfschmerzen führen. Wird bei kleinen Kindern ein starker Astigmatismus nicht rechtzeitig erkannt und behandelt, dann kann er das kindliche Gehirn so sehr verwirren, dass es zu einer Sehschwäche (Amblyopie) oder sogar zu ständigem Augenzittern (kongenitaler Nystagmus) kommt.

Muster für grobe, einfache Sehtests
Raster
Sieht man alle Linien scharf, dann hat man keinen schlimmen Sehfehler. Bei einer Netzhautablösung würde man dunkle Flecken im Gittermuster sehen.
Astigmatismus-Sonnenrad
Man beachte auch die optischen Täuschungen. Das Astigmatismus-Sonnenrad wirkt räumlich und in der Mitte scheint es einen hellen Kreis zu geben. Es gibt da aber gar keinen Kreis und der Hintergrund hat in Wirklichkeit überall die selbe Farbe.

Einen ausführlichen Sehtest findet man im World Wide Web und natürlich professionell beim Augenarzt.

Ursache einer Hornhautverkrümmung ist meistens ein vererbter (Erbkrankheit) Fehler (Mutation) im Bauplan (Genom). Hornhautverkrümmungen können aber auch Folge von Verletzungen oder Krankheiten sein. Manchmal ist nicht eine ungleichmäßig geformte Augenhornhaut die Ursache eines Astigmatismus, sondern eine verformte Augenlinse. Man kann den Astigmatismus mit einer Brille, Kontaktlinse, einer LASER-Operation der Augenhornhaut oder durch das Einsetzen einer zusätzlichen Augenlinse ausgleichen. Das erfordert allerdings genaue Messungen und Berechnungen, die viel komplizierter als bei Kurz- oder Weitsichtigkeit sind.

Merksätze nach oben

  1. Verschiedene Tierarten besitzen sehr unterschiedlich aufgebaute Augen mit zu den jeweiligen Lebensweisen passenden Fähigkeiten.
  2. Auf den relativ großen Flächen ihrer Sammellinsen fangen Linsenaugen viele von einem Punkt ausgehende Lichtstrahlen auf und konzentrieren sie dann an einem möglichst kleinen Punkt auf der Netzhaut.
  3. Linsenaugen sind schon deshalb sehr viel lichtempfindlicher als ihre einzelnen Lichtsinneszellen.
  4. Unsere Augen können sich an schwaches Licht unter anderem dadurch anpassen, dass der Iris-Öffner (Musculus dilatator pupillae oder Pupillenerweiterer) die Iris nach außen zieht und dadurch die Pupille vergrößert.
  5. Unsere Augen können sich an zunehmende Helligkeit unter anderem dadurch anpassen, dass der Iris-Ringmuskel die Iris nach innen zieht und dadurch die Pupille verkleinert.
  6. Die Licht-Brechung durch Tränenfilm, Augenhornhaut, Kammerwasser, Augenlinse und Glaskörper erzeugt auf der Netzhaut ein spiegelverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild.
  7. Wenn sich der Ringmuskel im Ziliarkörper anspannt, verschiebt er sich in Richtung Augenlinse und zieht dadurch weniger stark an den Linsenbändern (Fibrae-zonulares). Dann ziehen auch die Linsenbänder weniger stark an der Augenlinse. Die Augenlinse wird dann weniger stark lang und flach gezogen und kann sich stärker ihrer kugeligeren, eigentlichen Form annähern. Dadurch erhöht sich die Brechkraft der Augenlinse und der Bereich des scharfen Sehens verschiebt sich zu näher gelegenen Gegenständen.
  8. Kurzsichtige können auf weite Entfernungen nicht scharf sehen, weil ihre Augäpfel zu lang sind. Sie benötigen eine Brille mit einem konkaven Glas, welches das Licht nach außen streut und dadurch die Gesamtbrechkraft der Summe aus Brille und Auge reduziert.
  9. Weitsichtige können auf kurze Entfernungen nicht scharf sehen, weil ihre Augäpfel zu kurz sind oder weil sich ihre Augenlinse nicht mehr ausreichend krümmen kann. Ihnen hilft eine Brille mit einer konvexen Sammellinse.
  10. Je schräger ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlich dichten (transparenten) Medien trifft, umso stärker wird er gebrochen.
  11. Je unterschiedlicher die Dichte zweier transparenter Medien ist, umso stärker wird Licht an der Grenze zwischen ihnen gebrochen.
  12. Bei starker Brechung wird weißes Licht in die Regenbogenfarben zerlegt, weil violettes und blaues Licht stärker als gelbes und rotes gebrochen wird.
  13. Unsere Augen brechen das Licht hauptsächlich mit ihrer perfektesten Oberfläche, dem Tränenfilm.
  14. Beim Übergang in ein dichteres Medium wird Licht zur optischen Achse hin gebrochen. Beim Übergang in ein weniger dichtes Medium ist es umgekehrt.

Farbensehen bei Mensch und Tier nach oben

Damit wir auf die Netzhaut projezierte Bilder tatsächlich sehen können, gibt es in der Netzhaut die Lichtsinneszellen, die Signale an das Gehirn weiterleiten. Dabei unterscheidet man zunächst zwischen den längeren, dünneren und lichtempfindlicheren Stäbchen sowie den kürzeren und dickeren Zapfen, denen es schon in der Dämmerung zu dunkel wird. Mit den Stäbchen können wir auch noch in der Dämmerung sehen, aber sie reagieren alle hauptsächlich auf blaugrünes Licht. Trotzdem sehen wir die Welt in Dämmerung und Dunkelheit nicht blaugrün, sondern in Grautönen. Das liegt daran, dass unsere Augen nur Informationen liefern, aus denen erst das Gehirn Bilder konstruiert.

Von den Zapfen gibt es verschiedene Sorten mit Empfindlichkeitsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen (bzw. Farben) des Lichts. Unsere drei Zapfensorten reagieren hauptsächlich entweder auf blau-violettes (420 Nanometer), auf smaragdgrünes (534 nm) oder auf gelbgrünes (563 nm) Licht. Die besonders stark auf gelbgrünes Licht reagierenden Zapfen werden etwas irreführend Rotrezeptoren genannt, da sie auch rotes Licht sehen können, wenn es hell genug ist. Weil in immer anderen Mischungen fast immer alle drei Rezeptorsorten angeregt werden, können wir mit nur drei Rezeptortypen soviele verschiedene Farben sehen. Ein scharfes und farbiges Bild entsteht nur bei guten Lichtverhältnissen, weil wir nur am gelben Fleck ganz scharf sehen und weil es dort nur die weniger Licht-empfindlichen Zapfen gibt.

Im Bereich des schärfsten Sehens besitzt die Netzhaut des Bussards fast 1 Million Lichtsinneszellen pro Quadratmillimeter. Das sind rund achtmal soviele wie beim Menschen. Deshalb sehen Bussarde und andere Greifvögel bei größeren Entfernungen so scharf wie ein Mensch, der ein Fernglas benutzt.

Bussarde sehen aber nicht nur schärfer, sondern sie können wie die Bienen auch UV-Licht sehen. Das ist für Mäusebussarde sehr nützlich, weil sie dadurch Spuren von Mäuse-Urin sehen können. Es gibt auch Schlangen und andere Tierarten, die infrarotes Licht sehen können. Für andere Tierarten sieht deshalb die Welt anders als für uns aus.

Experimentell konnte gezeigt werden, dass nordamerikanische Schwarzbären Blau von Grau, Blau von Grün, Blau von Rot, Blau von Gelb und Grün von Grau unterscheiden können. (Ellis S. Bacon and Gordon M. Burghardt - Learning and color discrimination in the american black bear - Seiten 27-36 in Bears: Their Biology and Management, Vol. 3, 1976, A Selection of Papers from the Third International Conference on Bear Research and Management, Binghamton, New York, USA, and Moscow, U.S.S.R., June 1974. IUCN Publications New Series no. 40, DOI: 10.2307/3872751, Stable URL: http://www.jstor.org/stable/3872751) (pdf-Download)

Experimente mit großen Panda-Bären zeigten, dass auch diese Bären die Farben Blau, Grün und Rot jeweils von Grau unterscheiden können. In dieser Studie wurde aber nicht untersucht, ob die Bären die Farben als Farben oder nur als besondere Schattierungen von Grau sehen. Es wurde auch nicht erkundet, ob die Bären die drei Farben voneinander unterscheiden können und ob sie in der Netzhaut die entsprechenden Lichtsinneszellen (Zapfen, Farbrezeptoren) besitzen. (Angela S. Kelling, Rebecca J. Snyder, M. Jackson Marr, Mollie A. Bloomsmith, Wendy Gardner, Terry L. Maple - Color vision in the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) - Learning & Behavior, May 2006, Volume 34, Issue 2, pp 154-161 - https://link.springer.com/article/10.3758/BF03193191) (pdf-Download)

Der Jäger und Autor Bernie Barringer schreibt, dass Bären sehr gut blaue und grüne, aber auch rote Farbtöne sehen können. Ihr Farbensehen soll im roten Spektrum nicht so gut wie unseres sein, sie sollen aber ungefähr ebenso scharf sehen können wie Menschen. Nachts sehen sie zweifellos sehr viel besser als wir, denn sie besitzen ein Tapetum lucidum und sollen zehnmal mehr lichtempfindliche Stäbchen als wir besitzen. Außerdem sollen sie wie Füchse eine Iris haben, die bei Dämmerlicht schlitzförmig sein und ein schärferes Bilde liefern soll als eine runde. Bären haben nach vorne gerichtete Augen. Darum können sie sehr genau die Entfernung zwischen sich selbst und ihren Gegnern oder einer Beute abschätzen. (Bernie Barringer - Everything You Ever Wanted to Know about Bear Eyesight - https://www.outdoorhub.com/stories/2015/04/01/everything-ever-wanted-know-bear-eyesight/)

kindliches Farbensehen nach oben

Menschen sehen Farben hauptsächlich mit dem sogenannten gelben Fleck. An dieser Stelle wölbt sich die Netzhaut wie ein Vulkankrater vor und enthält fast nur die Zapfen genannten Lichtsinneszellen für farbiges Sehen. Dieser gelbe Fleck soll erst nach etwa 4 Jahren ausgewachsen sein. Forscher haben festgestellt, dass Kinder Farben überwiegend mit der rechten Hirnhälfte verarbeiten, bis sie die Namen der Farben lernen. Dann sprechen sie und sehen Farben hauptsächlich mit der linken Hirnhälfte.

Blindheit nach oben

Blindheit ist nicht leicht zu erklären. Das liegt vor allem daran, dass es viele Arten von Sehen gibt. Und Blindheit bedeutet, gar nicht oder fast nichts sehen zu können. Damit blinden Menschen besonders geholfen werden kann, hat eine frühere Bundesregierung gesetzlich festgelegt (definiert), wer als blind gilt bzw. was als Blindheit anerkannt werden soll. Demnach gilt in Deutschland als blind, wer nach optimaler Versorgung mit einer Brille oder Kontaktlinse auf dem besseren Auge eine Sehschärfe hat, die höchstens einem Fünfzigstel (1/50 = 0,02) der normalen Sehschärfe entspricht oder deren äußere Gesichtsfeldgrenzen höchstens 5 Grad (Tunnelblick) betragen. Ebenfalls als blind gelten Menschen, die dauerhaft genauso wenig sehen, obwohl ihre Augen funktionieren. Nicht zur Blindheit in diesem Sinne gehören die Farbenblindheit (Achromatopsie) und die Nachtblindheit.

Andererseits hat es einen Grund, dass unsere Sprache viele verschiedene Arten von Blindheit unterscheidet. Denn in unserer Sprache stecken sehr viel Weisheit und medizinisches Wissen. Farbenblinde können bestimmte Farben nicht sehen. Nachtblindheit bedeutet, dass jemand nachts praktisch blind ist. Es gibt auch gar nicht so wenige Menschen, die man gesichtsblind nennt, weil sie keine Gesichter erkennen können. Und Verliebtheit macht blind in dem Sinne, dass man an einem anderen Menschen dessen negative Eigenschaften nicht mehr erkennen kann. Wir sagen auch, dass jemand blind für die Gefühle oder Probleme anderer Menschen ist. Diesen und anderen Formen von Blindheit ist gemeinsam, dass man etwas nicht sehen kann. Aber das Sehen bezieht sich nicht immer auf etwas, was man mit den Augen sieht. Denn eigentlich sehen wir nicht mit den Augen, sondern mit dem Gehirn. Deshalb können wir auch im Traum sehen. Und sogar Menschen mit völlig kaputten Augen können sehen, wenn sie lernen, andere Sinnesorgane für das Sehen zu benutzen. Schon lange sagte man, dass "Blinde" mit den Fingern sehen können. Es gibt aber auch "Blinde", die ihre Umwelt sehen, indem sie mit der Zunge schnalzen und die von den Gegenständen in ihrer Umwelt zurück geworfenen Echos im Gehirn zu Bildern verarbeiten. Man weiß, dass es sich dabei nicht um Hören, sondern um echtes Sehen handelt, weil dabei im Gehirn die Sehrinde aktiv ist. Das ist der Teil des Gehirns, der Bilder erzeugt. Sehen geht aber auch noch über die Erzeugung von Bildern durch das Gehirn hinaus. So sagen Amerikaner: "I see" (Ich sehe) und wir sagen: "Ich sehe ein ...", wenn wir etwas verstanden haben. Und Angela Merkel sagte nach ihrem schlechten Ergebnis in der Bundestagswahl 2017: "Ich sehe nicht, was wir anders machen sollten". Sie zeigte damit, dass sie blind war für die Wünsche und den Ärger vieler Wählerinnen und Wähler.

Eine einfache Erklärung für Blindheit gibt es aber selbst dann nicht, wenn man Blindheit so verengt wie Politiker und Juristen definiert. Denn zur Blindheit im gesetzlichen Sinne kann ein Problem in jedem einzelnen Bestandteil des komplexen Systems führen, das wir zum Sehen benötigen. Man kann also in diesem Sinne blind sein, wenn in den Augen die Augenhornhaut, die Linse, die Netzhaut oder auch nur ein einzelnes Eiweiß (Protein) in einem für das Sehen wichtigen Zelltyp nicht funktioniert. Es kann aber auch der Sehnerv verletzt sein oder irgend etwas im Gehirn nicht funktionieren. Es gibt also unzählige Arten von Blindheit. Und man versteht mehr von Biologie und Medizin, wenn man nicht versucht, die überwältigende Komplexität der Lebensprozesse in Definitionen zu pressen, die der Wirklichkeit selten gerecht werden können. Oft sieht man mit Intuition und Achtsamkeit einfach mehr als mit dem analytischen Verstand.

Pupillen-Kommunikation nach oben

In verschiedenen Epochen haben Frauen mit Belladonna ihre Pupillen vergrößert, um für Männer attraktiver zu wirken [1]. Experimentelle Versuche, diese Wirkung naturwissenschaftlich zu bestätigen, hatten widersprüchliche Ergebnisse [1]. Es hat sich aber schn oft gezeigt, dass Naturwissenschaftler einfach sehr lange brauchten, bis sie nach vielen Irrtümern am Ende doch erkannten, dass uraltes Erfahrungswissen der Menschheit richtig war. Und in diesem Fall gibt es immerhin schon eine Kette von Indizien für einen naturwissenschaftlich nachvollziehbaren Mechanismus.

Auch wenn einem Menschen die Vergrößerung der Pupillen eines anderen Menschen nicht bewusst ist, reagieren seine Mandelkerne (Amygdala) im Gehirn darauf mit gesteigerter Aktivität [1]. Die Mandelkerne sind unter anderem zuständig für die emotionale Bewertung einer Situation und sie leiten dazu passende Reaktionen des vegetativen Nervensystems ein [2]. Zum Beispiel reagiert die Amygdala, wenn ein Mensch bei einem Gegenüber eine Erregung beobachtet [1]. Aktivierte Mandelkerne können unter anderem das sympathische Nervensystem aktivieren. Impulse des sympathischen Nervensystems können eine Verkürzung (Kontraktion) der strahlenförmig nach außen ziehenden Muskeln (Iris-Öffner, Musculus dilatator pupillae) der Iris bewirken [1]. Dadurch vergrößert sich die Pupille bei gesteigerter Aufmerksamkeit oder Erregung [3]. Kleiner wird die Pupille, wenn Nerven-Impulse des parasympathischen Nervensystems den Iris-Ringmuskel (Musculus sphincter pupillae) aktivieren [1].

1 K. E. Demos, W. M. Kelley, S. L. Ryan, F. C. Davis und P. J. Whalen - Human amygdala sensitivity to the pupil size of others - Cerebral Cortex 2008 Dec; 18(12): 2729-34 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2583162/)
2 Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Amygdala)
3 Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Mydriasis)

Zusammenfassung der Dokumentation: "Unsere Sinne 1 Das Auge" nach oben

In völliger Dunkelheit können auch die besten Augen nicht sehen. Damit man sie sehen kann, müssen Dinge entweder leuchten oder beleuchtet werden und Licht reflektieren. Wir sehen einen Gegenstand, weil aus seiner Richtung Licht unsere Augen erreicht. Dieses Licht besteht aus Lichtteilchen, von denen jedes vereinfacht gesagt eine Welle ist. Die Wellenlänge bestimmt die Strahlungsenergie und die Farbe des Lichtteilchens. Blaues Licht hat eine kürzere Wellenlänge und ist energiereicher als rotes Licht. Mit einem Prisma kann man die verschiedenfarbigen Lichtteilchen trennen, weil sie bei schrägem Auftreffen auf Glas unterschiedlich stark abgelenkt werden. Mischt man unterschiedlich gefärbtes Licht, dann entstehen ganz andere Farben. Mischt man Blau, Grün und Rot, dann sehen wir Weiß. Menschen mit der relativ häufigen Rot-Grün-Blindheit sehen Rot und Grün nur als Grautöne.

Die Strahlungsenergie des Sonnenlichts kann unseren Augen schaden. Das gilt besonders für das UV-Licht, das grauen Star verursachen kann. Davor können wir uns mit einer guten Sonnenbrille schützen und indem wir nicht in die Sonne sehen. Ganz besonders gefährlich wäre ein Blick auf die Sonne durch ein Fernglas, denn Ferngläser bündeln das Licht und damit seine Strahlungsenergie. Unseren Augen schadet aber auch stundenlange Arbeit oder Freizeitgestaltung vor Bildschirmen, denn dabei blinzeln wir zu selten. Man muss zu häufigerem Blinzeln zwingen und ab und zu Pausen einlegen.

Die beste Kamera der Welt - praxis kompakt nach oben

Verglichen mit den Augenlinsen einer Foto- oder Filmkamera sind die Augenhornhaut, die Augenlinse und der Glaskörper eines menschlichen Auges als optisches System ziemlich schlecht. Sie bringen ein unscharfes Bild auf die Netzhaut. Das die meisten Menschen trotzdem gut sehen können, liegt am menschlichen Gehirn. Was wir sehen, ist nämlich das Ergebnis umfangreicher Berechnungen und Manipulationen. Dazu springen unsere beiden Augen unbemerkt ständig zwischen verschiedenen Bildausschnitten hin und her und melden die Einzelbilder wie Stichproben dem Gehirn. Das Gehirn sammelt diese Einzelbilder und berechnet daraus ein Bild, das viel größer, schärfer, kontrastreicher oder kontrastärmer und fehlerfreier ist, als es unsere Augen sehen konnten. Dazu benutzt unser Gehirn auch unser Gedächtnis mit all seinem Wissen darüber, wie die Welt aussehen sollte. Hält unser Gehirn die von den Augen übermittelten Informationen für fehlerhaft, dann zeigt es uns einfach ein "korrigiertes" Bild.

In den Außenbereichen unsere Gesichtsfeldes können unsere Augen nicht wirklich farbig sehen, weil es weit außerhalb des gelben Flecks praktisch kein Zapfen mehr gibt. Außerdem nehmen wir in diesen Bereichen Gegenstände meistens nur noch wahr, wenn sie sich bewegen. Bewegt sich etwas, dann schauen unsere Augen reflexhaft dort hin, damit das Gehirn möglichst schnell erkennen kann, ob uns eine Gefahr droht. Andererseits sehen wir oft nicht, was uns nicht interessiert, was wir nicht sehen wollen oder was wir nicht kennen oder erwarten.

Bei jungen Menschen können sich die Augenlinsen noch auf alle Gegenstände einigermaßen scharf einstellen, die 5 cm bis unendlich weit entfernt sind. Ältere Menschen können weit entfernte Gegenstände auch noch relativ scharf sehen. Aber wenn Gegenstände weniger als anderthalb Meter entfernt sind, brauchen die meisten älteren Menschen eine Brille. Sie sind altersweitsichtig, weil ihre Augenlinsen nicht mehr von selbst die Kugelform annehmen können. Mit der Iris und mit der Netzhaut können sich unsere Augen besser als Kameras auf unterschiedliche Helligkeiten einstellen. Im Alter werden allerdings realtiv viele Menschen nachtblind, weil sich langsam ihre Augenlinse trübt (grauer Star) oder weil sie nicht mehr über die normale Anzahl funktionsfähiger Stäbchen verfügen.

Biologietest Auge nach oben

Die Tabelle zeigt die Fragen und Antworten unseres Biologietestes zum Thema Augen.
1Zeichne und beschrifte ein Linsenauge mit möglichst vielen seiner Strukturen!
Guckst du hier!
2aErkläre genau, wie sich unsere Augen von weiten auf kürzere Entfernungen einstellen!
Wenn sich das Auge von größeren auf kürzere Entfernungen umstellt, spannt sich ein Ringmuskel (Müller-Muskel) an und bildet dadurch einen kleineren Kreis um die Augenlinse. Dadurch entspannen sich die Linsenbänder, welche die Augenlinse mit dem Ziliarkörper verbinden. Nun kann sich auch die Augenlinse entspannen und sie wird kugelförmiger. Dadurch bricht sie das Licht stärker und kann das Licht von näher liegenden Gegenständen auf der Netzhaut fokussieren.
2bErkläre genau, wie sich unsere Augen von kurzen auf weitere Entfernungen einstellen!
Wenn sich das Auge von geringen auf größere Entfernungen umstellt, entspannt sich der Ringmuskel (Müller-Muskel) und bildet dadurch einen größeren Kreis um die Augenlinse. Dadurch spannen sich die Linsenbänder und ziehen die Augenlinse nach außen. Dadurch wird die Augenlinse flacher und bricht das Licht weniger stark.
3aWarum führt ein zu kurzer Augapfel zu Weitsichtigkeit?
Wenn der Augapfel zu kurz ist, können Augenhornhaut, Augenlinse und Glaskörper das Licht nicht ausreichend stark brechen, um das von nahen Gegenständen kommende Licht auf der Netzhaut zu bündeln.
3bWarum führt ein zu langer Augapfel zu Kurzsichtigkeit?
Wenn der Augapfel zu lang ist, können Augenhornhaut, Augenlinse und Glaskörper das von weit her parallel auf die Augenhornhaut treffende Licht gar nicht so schwach brechen, dass es sich nicht bereits vor Erreichen der Netzhaut bündelt.
4Warum können Greifvögel wie der Bussard auf große Entfernungen so viel schärfer sehen als wir?
Sie haben im Bereich des schärfsten Sehens (dem gelben Fleck) etwa achtmal soviele Lichtsinneszellen wie wir.
5Warum können Bussarde den Urin von Mäusen sehen?
Der Urin von Mäusen reflektiert ultraviolettes Licht und das können Mäusebussarde sehen.
6Warum leuchten die Augen vieler nachtaktiver Tiere (z.B. Katzen) im Scheinwerferlicht?
Eine spiegelartige Schicht hinter der Netzhaut schickt das Licht noch einmal an den Lichtsinneszellen vorbei zurück und damit auch aus dem Auge heraus.
7Zeichne und beschrifte unser Tränensystem für die Produktion und den Abfluss der Tränenflüssigkeit!
Guckst du hier!
8Wie adaptieren sich unsere Augen an schwaches und wie adaptieren sie sich an sehr helles Licht?
Bei schwachem Licht entspannt sich der Ringmuskel in der Iris und die Pupille weitet sich. Bei hellem Licht spannt er sich an und schließt die Iris, damit weniger Licht durch die Pupille fällt.

weiterführende Quellen nach oben

Von Prof. Jeremy Nathans gibt es einige Vorlesungen bei YouTube und bei iBiology, in denen es insbesondere um das menschliche Sehen geht.

buchunabhängige Lerntexte

meine Biologieseite

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Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0

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