Von der Lichtwelle zur Zapfenzelle

Die Farben, die wir sehen, entstehen nicht aus einer Mischung aus Rot, Grün und Blau wie bei einem Monitor, sondern durch Vergleiche in einer nachgeordneten Ebene des Farbsehens.

Farbsehen spielt sich auf zwei Ebenen ab:

  • Auf der ersten Ebene sitzen die lichtempfindlichen Photorezeptoren, die Zäpfchen der Retina,
  • auf der zweiten Ebene verarbeiten neurale Komponenten die Informationen über lang- und kurzwelliges Licht.

Das menschliche Farbsehen wird als trichromatisch bezeichnet. Wir besitzen drei unterschiedliche Klassen von Fotorezeptor-Zellen – Zapfen – die in einem unregelmäßigen Mosaik auf der Rückseite der Retina angeordnet sind.

zapfen staebchen

Jede Zapfenklasse enthält ein Pigment, dass maximal empfindlich gegenüber einem bestimmten Bereich des sichtbaren Spektrums ist:

  • L rotes oder langwelliges Licht (LWS) mit 650nm - 750nm.
  • M grünes oder mittelwelliges Licht (MWS) mit einem Maximum bei 530nm,
  • S blaues oder kurzwelliges Licht (SWS) mit ~420nm - 490nm,
zapfen
Nur um 30 nm erweitert der dritte Zapfentyp unser Farbsehen gegenüber dem Farbsehen der Dichromaten. Aber wir dürfen uns freuen, dass dieses zusätzliche Gen einen so großen Effekt hat: So können wir reife von unreifen Kirschen unterscheiden.

Das Farbsehen der Dichromaten

Werfen wir einen Blick auf das Farbsehen der Dichromaten – z.B. eines Hundes. Dichromaten habe zwei Zapfen-Pigmente, eines für kurzwelliges bis UV-Licht (S) und eines für Lichtwellen im mittleren Bereich (M).

farbsehen-hund-mensch

Durch einen komplexen Prozess, der durch die Sammelleidenschaft der Zapfen angestoßen wird, entstehen die Mischfarben in unserem Kopf: In einer einfachen Schaltung wird S mit M verglichen. Kommen mehr Photonen auf dem M-Zapfen an, sieht der Hund Gelb, ist das Signal stärker auf dem S-Zapfen, sieht der Hund Blau. In dem Bereich um 480 nm sieht der Hund kein Grün und keine Mischung, sondern Abstufungen von Grau.

Das Ergebnis des Vergleichs zwischen kurzen und langen Wellenlängen wird als Ausgabe an die Ganglien-Zellen geleitet.

Das ist die grundlegende Schaltung – auch in der Retina der Primaten.

Das Farbsehen der Trichromaten

Zunächst einmal funktioniert das Farbsehen beim Menschen nicht anders als beim Hund – obwohl wir Trichromaten sind.

Irgendwann in der Evolution der Primaten kam es zu einem Split des Pigments im M-Zapfen, der zu zwei neuen Seh-Pigmenten führte: Eines für das mittelwellige Licht um 530 nm und eines für das etwas langwelligere Licht so um 560 nm.

Das verbessert zwar die Analyse der mittleren Wellenlängen, aber die Schaltung macht keinen Unterschied zwischen M- und L-Zäpfchen. L und M werden gleichbehandelt und in einer erster Ebene einfach addiert. Am Ende ist die Ausgabe dieselbe wie beim Hund: Ein Vergleich zwischen kurzen und mittleren/längeren Wellenlängen. Diese Verrechnung erfolgt schon bald hinter den Rezeptoren, noch in der Augennetzhaut (Retina)

Dann kommt allerdings noch ein zweiter 1 Schaltkreis ins Spiel. Hier werden die Signale auf M gegen die Signale auf L verglichen. S wird nicht mit M oder L verglichen. Hier ist die Forschung dem Prozess des Farbsehens aber noch nicht ganz auf die Schliche gekommen.

  • Das Rot-Grün-Sehen entsteht durch den Vergleich der Lichtmenge aus den L und M-Zapfen,
  • Das Blau-Gelb-Sehen vergleicht die Lichtmenge aus L und M-Zapfen mit der Lichtmenge aus den S-Zapfen.

Tetrachromaten

Unter den Frauen findet man eine verschwindend kleine Anzahl von Tetrachromaten. Tetrachromaten haben nicht drei, sondern vier verschiedene Zapfentypen, wobei der vierte Typ irgendwo zischen Rot und Grün im Orangen Bereich zu liegen scheint.

Die Pigmente der roten und grünen Zapfen liegen im X-Chromosom, von dem bei Frauen zwei zu finden sind. So entsteht die Möglichkeit, dass sich die Zapfen unterschiedlich entwickeln. Bei den meisten Frauen allerdings liegen die beiden Zapfen aber so nah zusammen, dass keine besondere Farbwahrnehmung entsteht.

Mithilfe eines genetischen Scans können wir zwar herausfinden, ob eine Frau über eine vierte Zäpfchenart verfügt – aber es ist schwer nachzuweisen, dass sie über ein herausragendes Farbempfinden verfügt.

Etwa 8% der weißen europäischen/amerikanischen Männer hat eine Rot-Grün-Schwäche. Die meisten dieser Männer haben neben dem blauen Standardzapfen entweder zwei rote oder zwei grüne Zapfen.

Jay Neitz color vision researcher at the Medical College of Wisconsin.

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