Das Auge: Aufbau und Funktion
Sinneszelle (Rezeptorzelle)
Zelle, in der durch Reize aus der Umwelt oder dem eigenen Körper Erregungen ausgelöst werden.
Sinnesorgan Auge
Äußere Betrachtung:
Regenbogenhaut (Iris): Farbig, umschließt das Sehloch (Pupille).
Bindehaut: Von Blutgefäßen durchzogen, überzieht die weiße Lederhaut.
Hornhaut: Durchsichtig, hinter ihr befindet sich die vordere Augenkammer.
Innerer Aufbau:
Vordere Augenkammer: Begrenzt durch die Linse.
Glaskörper: Gelartige Substanz, anliegend an der Netzhaut (Retina).
Netzhaut (Retina): Enthält Millionen von Sinneszellen.
Pigmentschicht (Pigmentepithel), Aderhaut und Lederhaut.
Funktionsweise:
Licht gelangt durch die Pupille ins Auge.
Brechung des Lichts durch Hornhaut und Linse: Erzeugt ein scharfes Bild auf der Netzhaut.
Linse und Akkommodation:
Elastische Linse: Aufgehängt an Zonulafasern, verbunden mit Aderhaut und Lederhaut.
Fernakkommodation:
Augeninnendruck spannt Zonulafasern, Linse wird flachgezogen.
Geringe Brechkraft, Auge auf Ferne eingestellt.
Nahakkommodation:
Ringförmiger Ziliarmuskel kontrahiert, verringert den Zug der Linsenfäden.
Linse wird dicker (kugelförmiger) aufgrund ihrer Eigenelastizität.
Erhöhte Brechkraft für Nahsicht.
Altersweitsichtigkeit:
Linse verliert Elastizität, Brechkraft nimmt ab.
Brille mit Sammellinse zum Lesen notwendig.
Akkommodation bei Tieren:
Säugetiere und Vögel: Veränderung der Brechkraft.
Amphibien, Fische, Wirbellose: Veränderung des Abstands zwischen Linse und Netzhaut.
Wahrnehmung von Licht:
Adequater Reiz: Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen und .
Eingeschränkter Wahrnehmungsbereich im Vergleich zum gesamten elektromagnetischen Spektrum.
Unterschiede in der Lichtsinneswelt von Tieren:
Anpassung an jeweilige Lebensbedingungen.
Komplexaugen der Insekten:
Andere Struktur und Leistungen im Vergleich zum menschlichen Auge.
Geringere räumliche Auflösung (Rasterbilder aus 300 bis 30.000 Einzelpunkten).
Höhere zeitliche Auflösung (bis zu 300 Bilder pro Sekunde als Einzelbilder).
Erkennung schneller Bewegungen.
Wahrnehmung von UV-Licht und Polarisationsebene (Orientierung am Sonnenstand).
Bau der Netzhaut
Anordnung der Sinneszellen:
Auf der dem Licht abgewandten Seite.
Zwei Rezeptortypen: Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen) und Zapfen (Farbensehen).
Verschaltung der Sinneszellen:
Synaptische Kontakte mit Bipolarzellen und Ganglienzellen.
Nervenfasern der Ganglienzellen bilden den Sehnerv.
Querverschaltung durch Horizontalzellen und Amakrinzellen.
Erregung einer Sinneszelle kann mehrere Ganglienzellen beeinflussen.
Mehr Sinneszellen (120 Mio. Stäbchen, 6 Mio. Zapfen) als Ganglienzellen (1 Mio.).
Verteilung der Rezeptoren:
Unterschiedliche Dichte auf der Netzhaut.
Zentrale Sehgrube (Fovea): Nur Zapfen, höchste Sehschärfe.
Ein Zapfen pro Ganglienzelle.
Punkt des scharfen Sehens.
Rezeptordichte im Zentrum höher als in der Peripherie.
Blinder Fleck: Bereich ohne Rezeptoren, Durchtritt des Sehnervs.
Gesichtsfeld:
Teil der Umwelt, der mit unbewegten Augen wahrgenommen wird.
Monokulares und binokulares Gesichtsfeld.
Ausmessung von Grenzen und Ausfällen.
Eingeschränktes Gesichtsfeld für Farbwahrnehmungen.
Blinder Fleck wird im Alltag nicht bemerkt.
Sinneszelle (Rezeptorzelle)
Zelle, in der durch Reize aus der Umwelt oder dem eigenen Körper Erregungen ausgelöst werden. Diese Erregungen werden dann in elektrische Signale umgewandelt, die von Nervenzellen weitergeleitet und im Gehirn verarbeitet werden. Die Umwandlung des Reizes in ein elektrisches Signal erfolgt durch spezifische Ionenkanäle in der Zellmembran der Sinneszelle, die sich bei Einwirkung des Reizes öffnen oder schließen und dadurch das Membranpotenzial der Zelle verändern.
Sinnesorgan Auge
Äußere Betrachtung:
Regenbogenhaut (Iris): Farbig, umschließt das Sehloch (Pupille). Die Iris besteht aus Muskelgewebe, das sich zusammenziehen oder erweitern kann, um die Größe der Pupille und damit den Lichteinfall ins Auge zu regulieren.
Bindehaut: Von Blutgefäßen durchzogen, überzieht die weiße Lederhaut. Die Bindehaut schützt das Auge vor dem Eindringen von Fremdkörpern und Krankheitserregern.
Hornhaut: Durchsichtig, hinter ihr befindet sich die vordere Augenkammer. Die Hornhaut ist stark gekrümmt und bricht das einfallende Licht, um es auf die Netzhaut zu fokussieren. Sie besitzt keine Blutgefäße und wird durch die Tränenflüssigkeit mit Nährstoffen versorgt.
Innerer Aufbau:
Vordere Augenkammer: Begrenzt durch die Linse. Sie ist mit Kammerwasser gefüllt, das von den Zellen des Ziliarkörpers produziert wird und den Augeninnendruck aufrechterhält.
Glaskörper: Gelartige Substanz, anliegend an der Netzhaut (Retina). Der Glaskörper besteht hauptsächlich aus Wasser und Kollagenfasern und verleiht dem Auge seine Form.
Netzhaut (Retina): Enthält Millionen von Sinneszellen (Photorezeptoren). Die Netzhaut ist die innerste Schicht des Auges und enthält die Photorezeptoren, die das Licht in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden dann von Nervenzellen weiterverarbeitet und zum Gehirn geleitet.
Pigmentschicht (Pigmentepithel), Aderhaut und Lederhaut. Die Pigmentschicht absorbiert Streulicht und verhindert so eine Überblendung des Bildes. Die Aderhaut versorgt die Netzhaut mit Blut und Nährstoffen. Die Lederhaut ist die äußere, schützende Schicht des Auges.
Funktionsweise:
Licht gelangt durch die Pupille ins Auge. Die Pupille reguliert die Menge des einfallenden Lichts, um die Netzhaut vor Überlastung zu schützen und eine optimale Bildqualität zu gewährleisten.
Brechung des Lichts durch Hornhaut und Linse: Erzeugt ein scharfes Bild auf der Netzhaut. Die Hornhaut bricht das Licht stärker als die Linse, da sie eine höhere Brechkraft besitzt. Die Linse kann ihre Brechkraft jedoch verändern, um das Auge auf unterschiedliche Entfernungen einzustellen (Akkommodation).
Linse und Akkommodation:
Elastische Linse: Aufgehängt an Zonulafasern, verbunden mit Aderhaut und Lederhaut. Die Linse besteht aus einer klaren, flexiblen Substanz, die von einer Kapsel umschlossen ist. Sie ist durch die Zonulafasern mit dem Ziliarmuskel verbunden, der ihre Form und damit ihre Brechkraft verändern kann.
Fernakkommodation:
Augeninnendruck spannt Zonulafasern, Linse wird flachgezogen. Wenn der Ziliarmuskel entspannt ist, ziehen die Zonulafasern an der Linse und ziehen sie flach. Dadurch wird die Brechkraft der Linse verringert, so dass das Auge auf Ferne eingestellt ist.
Geringe Brechkraft, Auge auf Ferne eingestellt.
Nahakkommodation:
Ringförmiger Ziliarmuskel kontrahiert, verringert den Zug der Linsenfäden. Wenn der Ziliarmuskel sich zusammenzieht, entspannen sich die Zonulafasern und die Linse kann sich aufgrund ihrer Eigenelastizität kugelförmiger verformen. Dadurch wird die Brechkraft der Linse erhöht, so dass das Auge auf Nähe eingestellt ist.
Linse wird dicker (kugelförmiger) aufgrund ihrer Eigenelastizität.
Erhöhte Brechkraft für Nahsicht.
Altersweitsichtigkeit:
Linse verliert Elastizität, Brechkraft nimmt ab. Mit zunehmendem Alter verliert die Linse ihre Elastizität und kann sich nicht mehr so stark verformen. Dadurch wird die Fähigkeit des Auges, sich auf Nähe einzustellen, beeinträchtigt.
Brille mit Sammellinse zum Lesen notwendig.
Akkommodation bei Tieren:
Säugetiere und Vögel: Veränderung der Brechkraft. Bei Säugetieren und Vögeln erfolgt die Akkommodation hauptsächlich durch Veränderung der Linsenform.
Amphibien, Fische, Wirbellose: Veränderung des Abstands zwischen Linse und Netzhaut. Bei Amphibien, Fischen und Wirbellosen erfolgt die Akkommodation hauptsächlich durch Verschiebung der Linse.
Wahrnehmung von Licht:
Adequater Reiz: Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen und . Nur elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängenbereich kann von den Photorezeptoren in der Netzhaut aufgenommen werden und eine Erregung auslösen.
Eingeschränkter Wahrnehmungsbereich im Vergleich zum gesamten elektromagnetischen Spektrum. Das menschliche Auge kann nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen. Andere Tiere können beispielsweise UV-Licht oder Infrarotstrahlung sehen.
Unterschiede in der Lichtsinneswelt von Tieren:
Anpassung an jeweilige Lebensbedingungen. Die Lichtsinneswelt der Tiere ist an ihre jeweiligen Lebensbedingungen angepasst. Beispielsweise haben nachtaktive Tiere in der Regel mehr Stäbchen als Zapfen, um auch bei schwachem Licht gut sehen zu können.
Komplexaugen der Insekten:
Andere Struktur und Leistungen im Vergleich zum menschlichen Auge. Komplexaugen bestehen aus vielen Einzelaugen (Ommatidien), die jeweils einen kleinen Ausschnitt der Umgebung wahrnehmen. Das Gehirn setzt diese Einzelbilder dann zu einem Gesamtbild zusammen.
Geringere räumliche Auflösung (Rasterbilder aus 300 bis 30.000 Einzelpunkten). Die räumliche Auflösung von Komplexaugen ist geringer als die des menschlichen Auges, da jedes Ommatidium nur einen kleinen Ausschnitt der Umgebung wahrnimmt.
Höhere zeitliche Auflösung (bis zu 300 Bilder pro Sekunde als Einzelbilder). Die zeitliche Auflösung von Komplexaugen ist höher als die des menschlichen Auges, da sie schnellere Bewegungen wahrnehmen können.
Erkennung schneller Bewegungen.
Wahrnehmung von UV-Licht und Polarisationsebene (Orientierung am Sonnenstand). Viele Insekten können UV-Licht wahrnehmen, das für den Menschen unsichtbar ist. Sie können auch die Polarisationsebene des Lichts erkennen, was ihnen bei der Orientierung am Sonnenstand hilft.
Bau der Netzhaut
Anordnung der Sinneszellen:
Auf der dem Licht abgewandten Seite. Die Sinneszellen befinden sich auf der dem Licht abgewandten Seite der Netzhaut, da sie von einer Pigmentschicht geschützt werden müssen, die Streulicht absorbiert. Das Licht muss also zuerst durch die anderen Schichten der Netzhaut hindurch, bevor es auf die Sinneszellen trifft.
Zwei Rezeptortypen: Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen) und Zapfen (Farbensehen). Stäbchen sind empfindlicher für Licht als Zapfen und ermöglichen das Sehen bei schwachem Licht. Zapfen sind für das Farbensehen verantwortlich und benötigen helleres Licht, um richtig zu funktionieren. Es gibt drei Arten von Zapfen, die jeweils für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts empfindlich sind (rot, grün, blau).
Verschaltung der Sinneszellen:
Synaptische Kontakte mit Bipolarzellen und Ganglienzellen. Die Sinneszellen bilden Synapsen mit Bipolarzellen, die die Signale an die Ganglienzellen weiterleiten. Die Ganglienzellen sind die Nervenzellen, deren Axone den Sehnerv bilden.
Nervenfasern der Ganglienzellen bilden den Sehnerv. Der Sehnerv leitet die visuellen Informationen vom Auge zum Gehirn.
Querverschaltung durch Horizontalzellen und Amakrinzellen. Horizontalzellen und Amakrinzellen ermöglichen eine laterale Interaktion zwischen den verschiedenen Sinneszellen und Nervenzellen in der Netzhaut. Dadurch können Kontraste verstärkt und Bewegungen erkannt werden.
Erregung einer Sinneszelle kann mehrere Ganglienzellen beeinflussen. Durch die Verschaltung der Sinneszellen und Nervenzellen in der Netzhaut kann die Erregung einer einzelnen Sinneszelle mehrere Ganglienzellen beeinflussen. Dadurch wird die Verarbeitung der visuellen Informationen optimiert.
Mehr Sinneszellen (120 Mio. Stäbchen, 6 Mio. Zapfen) als Ganglienzellen (1 Mio.). Das Verhältnis von Sinneszellen zu Ganglienzellen beträgt etwa 120:1 für Stäbchen und 6:1 für Zapfen. Dies bedeutet, dass die Signale von vielen Sinneszellen auf eine Ganglienzelle zusammenlaufen. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Auges erhöht, aber die Auflösung verringert.
Verteilung der Rezeptoren:
Unterschiedliche Dichte auf der Netzhaut. Die Dichte der Rezeptoren ist auf der Netzhaut unterschiedlich verteilt. Im Zentrum der Netzhaut, in der Fovea, ist die Dichte der Zapfen am höchsten, während in der Peripherie der Netzhaut die Dichte der Stäbchen am höchsten ist.
Zentrale Sehgrube (Fovea): Nur Zapfen, höchste Sehschärfe.
Ein Zapfen pro Ganglienzelle. In der Fovea ist jeder Zapfen mit einer einzelnen Ganglienzelle verbunden. Dadurch wird die höchste Sehschärfe erreicht.
Punkt des scharfen Sehens.
Rezeptordichte im Zentrum höher als in der Peripherie.
Blinder Fleck: Bereich ohne Rezeptoren, Durchtritt des Sehnervs. Am blinden Fleck verlassen die Nervenfasern der Ganglienzellen das Auge und bilden den Sehnerv. Da sich an dieser Stelle keine Rezeptoren befinden, können wir dort nichts sehen.
Gesichtsfeld:
Teil der Umwelt, der mit unbewegten Augen wahrgenommen wird. Das Gesichtsfeld ist der Bereich, den wir sehen können, ohne unsere Augen zu bewegen.
Monokulares und binokulares Gesichtsfeld. Das monokulare Gesichtsfeld ist der Bereich, den wir mit einem Auge sehen können. Das binokulare Gesichtsfeld ist der Bereich, den wir mit beiden Augen gleichzeitig sehen können. Das binokulare Gesichtsfeld ist größer als das monokulare Gesichtsfeld und ermöglicht uns das räumliche Sehen.
Ausmessung von Grenzen und Ausfällen. Die Grenzen und Ausfälle des Gesichtsfelds können mit speziellen Geräten (Perimetern) ausgemessen werden.
Eingeschränktes Gesichtsfeld für Farbwahrnehmungen. Die Farbwahrnehmung ist im Gesichtsfeld nicht gleichmäßig verteilt. Im Zentrum des Gesichtsfelds, in der Fovea, ist die Farbwahrnehmung am besten, während in der Peripherie des Gesichtsfelds die Farbwahrnehmung eingeschränkt ist.
Blinder Fleck wird im Alltag nicht bemerkt. Obwohl wir am blinden Fleck
Rhodopsin und Phototransduktion
Rhodopsin:
Sehfarbstoff in den Stäbchen der Netzhaut.
Besteht aus dem Protein Opsin und dem Chromophor Retinal (eine Form von Vitamin A).
Isomerisierung von Retinal:
Im Dunkeln liegt Retinal in der cis-Form vor.
Absorption eines Photons führt zur Isomerisierung in die trans-Form.
Diese Isomerisierung ist der primäre photochemische Schritt des Sehvorgangs.
Aktivierung der Transducin-Kaskade:
trans-Retinal aktiviert das G-Protein Transducin.
Transducin aktiviert die Phosphodiesterase (PDE).
Hydrolyse von cGMP:
PDE hydrolysiert cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP).
Abnahme der cGMP-Konzentration führt zur Schließung von cGMP-abhängigen Natriumkanälen in der Plasmamembran der Stäbchen.
Hyperpolarisation der Stäbchen:
Schließung der Natriumkanäle reduziert den Natriumeinstrom.
Dies führt zur Hyperpolarisation der Stäbchenmembran.
Die Hyperpolarisation führt zur Reduktion der Freisetzung von Neurotransmittern (Glutamat) an den Synapsen mit den Bipolarzellen.
Signalübertragung zu den Bipolarzellen:
Veränderung der Glutamatfreisetzung beeinflusst die Bipolarzellen.
Je nach Typ der Bipolarzelle (ON- oder OFF-Zellen) führt dies zur Depolarisation oder Hyperpolarisation der Bipolarzellen.
Verarbeitung inGanglienzellen:
Bipolarzellen übertragen das Signal an die Ganglienzellen.
Ganglienzellen generieren Aktionspotentiale, die über den Sehnerv zum Gehirn geleitet werden.
Dunkeladaptation:
Bei Dunkelheit wird Rhodopsin regeneriert.
Retinal wird wieder in die cis-Form umgewandelt.
Die cGMP-Konzentration steigt wieder an, Natriumkanäle öffnen sich, und die