Von Zapfen und Stäbchen

Im Dunkeln sehen wir in Schwarz-Weiss, während wir bei Licht viele verschiedene Farben wahrnehmen. Dafür sind Lichtsinneszellen verantwortlich, die Zapfen und die Stäbchen. Sie befinden sich in der Netzhaut im Auge und leisten eine beeindruckende Arbeit.

Tag und Nacht

Bei Licht sind vor allem die Zapfen aktiv, in der Dunkelheit übernehmen die Stäbchen das Sehen. Bild: CanStockPhoto

Warum können wir Farben sehen und weshalb sehen wir im Dunkeln nur in Schwarz-Weiss? Diese Phänomene beruhen auf Vorgängen, die in der Netzhaut (Retina) ablaufen. Dort befinden sich die Lichtsinneszellen, die uns das Sehen in Schwarz-Weiss im Dunkeln sowie das Farbsehen bei Tageslicht ermöglichen.

Schematische Darstellung der Netzhaut. Bild (angepasst): CanStockPhoto

Wenn Licht auf die Lichtsinneszellen trifft

Wenn Licht durch das Auge fällt, trifft es auf die Netzhaut (Retina) und somit auch auf die Lichtsinneszellen, die sich - neben anderen Nervenzellen - dort befinden. Eine Lichtsinneszelle ist eine spezialisierte Form einer Nervenzelle.

Im äusseren, dem Licht abgewandten Teil der Lichtsinneszellen befinden sich sogenannte "Sehpigmente", die man auch als Rhodopsin (in Stäbchen) bzw. Photopsin (in Zapfen) bezeichnet. Rhodopsin besteht aus Opsin (einem Protein) und Retinal. Retinal ist eine Form des Vitamins A. Viel Vitamin A finden wir in Karotten. Da Retinal für unser Sehen unbedingt notwendig ist, sagen wir oft, dass Karotten gut für unsere Augen sind.

Trifft nun Licht auf das Sehpigment in den Lichtsinneszellen, wird letzteres durch eine chemische Reaktion gespalten, was die Sinneszellen aktiviert. Als Folge davon wird ein Signal ausgelöst, ein sogenannter Nervenimpuls. Dieser wandert über weitere Nervenzellen bis hin zum Gehirn. Alle dort zeitgleich ankommenden Informationen werden dann verarbeitet und wir sehen ein Abbild unserer Umwelt. Kurz darauf regeneriert sich das Sehpigment, um beim nächsten Lichtimpuls wieder gespalten zu werden. Mehr über die Regeneration der Sehpigmente erfährst du im Artikel "Ob Hell oder Dunkel - Unser Auge passt sich an".

Zapfen und Stäbchen

Es gibt es zwei verschiedene, nach ihrer Form benannten Lichtsinneszellen: die Zapfen und die Stäbchen. Sie reagieren unterschiedlich auf Helligkeit und sind die wichtigsten Zellen der Netzhaut. Wir besitzen etwa 6 Millionen Zapfen und 125 Millionen Stäbchen.

Die Stäbchen sind - wie ihr Name ahnen lässt - dünn und länglich. Sie sind sehr lichtempfindlich und reagieren dank dem Sehpigment Rhodopsin schon auf wenig Licht. Sie ermöglichen uns, in der Dämmerung und sogar in der Nacht zu sehen. Allerdings nur in Schwarz-Weiss. Die kegelförmigen Zapfen werden durch die Spaltung ihres Sehpigments Photopsin erst bei relativ hellem Licht aktiv. So werden sie in der Dämmerung oder in der Nacht nicht angeregt. Dafür können wir aber bei Tageslicht mit ihrer Hilfe die verschiedensten Farben wahrnehmen.

Farbensehen

Weisses Licht setzt sich aus Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zusammen. Licht einer bestimmten Wellenlänge hat eine bestimmte Farbe. Mischt man die 3 Grund-Lichtfarben (Rot, Grün und Blau), erhält man weiss. Mehr dazu kannst du auch im Artikel "Was ist Licht? Und wie ermöglicht es uns zu sehen?" lesen.

Unser Auge ist empfindlich für Licht mit Wellenlängen zwischen 400 (bläuliches Licht) und 700 (rötliches Licht) Nanometern. Wir können Farben unterscheiden, weil wir drei Typen von Zapfen besitzen. Jeder Typ wird bei einer anderen Wellenlänge angeregt. Der Grund dafür sind die verschiedenen Photopsin-Arten, die die Zapfen besitzen, die jeweils nur bei einer bestimmten Wellenlänge reagieren. Die Zapfentypen werden in Rot-Zapfen (R), Grün-Zapfen (G) und Blau-Zapfen (B) unterteilt - benannt nach den drei Grundfarben des Lichts. Manchmal werden sie auch als L (long)-, M (medium)- und S (short)-Zapfen bezeichnet, in Anlehnung an die langen, mittleren oder kurzen Wellenlängen auf die sie reagieren.

Damit wir eine Farbe erkennen, werden die Signale aller drei Zapfentypen kombiniert. Meistens werden zwei oder alle drei Zapfentypen mehr oder weniger angeregt, wenn wir Farben sehen. So erregt beispielsweise die Farbe Gelb die Rot- und Grün-Zapfen gleich stark. Die Signale, die von den Rot- und Grün-Zapfen gesendet werden, gelangen in unser Gehirn. Diese Kombination von Signalen interpretiert unser Gehirn als Farbe Gelb. Beide Signale sind gleich stark. Denselben Effekt erreicht man auch, wenn man rotes und grünes Licht miteinander mischt. Auch dies nehmen wir als Gelb wahr. Je nachdem, wie fest welche Zapfentypen angeregt werden, werden also pro Zapfentyp mehr oder weniger Signale ans Gehirn gesendet. Dieses verarbeitet die ankommenden Signale und kann so alle Farben "mischen". Deshalb ist es für uns möglich, die Umwelt so farbig wahrzunehmen, wie sie uns erscheint.

Der Unterschied zwischen Licht mischen und Wasserfarben mischen. Bild (angepasst): CanStockPhoto

Additive und subtraktive Farbmischung

Vorsicht, ob man Licht oder Farbpigmente (z.B. Wasserfarbe) mischt, ist nicht dasselbe. Mischt man die Grundfarben des Lichts zusammen, entsteht Weiss. Mischt man aber mit Wasserfarbe Magenta (Rot), Gelb und Cyan (Blau) zusammen, erhalten wir Schwarz. Man spricht von additiver und subtraktiver Farbmischung. Wenn wir Licht mischen, werden Farben übereinander gelagert, sie werden addiert. Wenn wir Pigmente mischen, nehmen wir Farbe weg (subtrahieren), denn Pigmente absorbieren Licht. Eine lilafarbige Pigmentmischung absorbiert alle Farbanteile des Lichts ausser den Rot- und Blauanteilen, die uns zusammen als Lila erscheinen. Im subtraktiven Farbsystem sind die Primärfarben Magenta, Cyan und Gelb (statt Grün). In beiden Systemen können die Primärfarben nicht aus anderen Farben gemischt werden.

Auf der additiven Farbmischung beruht übrigens das RGB (Rot-Grün-Blau)-System, das die Farben an deinem Computermonitor definiert.

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