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Warum die Katze schlitzförmige Pupillen hat

26.07.1999 - (idw) Eberhard-Karls-Universität Tübingen

Anatomie

Der Mensch gehört zu den Lebewesen mit einem guten Sehvermögen. Das Farbsehen funktioniert jedoch nur bei relativ großer Helligkeit. Farbtüchtige Tiere, die im Wasser leben oder in der Dämmerung aktiv sind, müssen mit weniger Licht in ihrem Lebensraum auskommen. Wie zum Beispiel Buntbarsche die Welt farbig sehen, hat der Tübinger Biologe Dr. Ronald Kröger herausgefunden: Ihre Augenlinsen zeigen Zonen mit unterschiedlichen Brennweiten.

Warum die Katze schlitzförmige Pupillen hat

Tübinger Wissenschaftler enträtselt Farbsehen wasserlebender und dämmerungsaktiver Tiere

Katze und Buntbarsch zeigen zugegebenermaßen keine großen Ähnlichkeiten. Doch teilen ihre Augen das Problem, unter Wasser und in der Dämmerung mit wenig Licht auskommen zu müssen. Viele Tiere wie Eule und Fledermaus haben bei schlechten Lichtverhältnissen nur ein schwarz-weißes Sehvermögen entwickelt. Dagegen macht der Buntbarsch (Cichlide) seinem Namen alle Ehre und sieht nicht nur farbig aus, sondern sieht auch selbst die Welt in bunten Farben. Welche Besonderheit der Augen den Buntbarschen das Farbsehen ermöglicht, hat der Biologe Dr. Ronald Kröger vom Anatomischen Institut der Universität Tübingen herausgefunden.

Zweifellos gehört auch der Mensch zu den farbtüchtigen Lebewesen. Das funktioniert jedoch nur, wenn es hell ist. In der späten Dämmerung oder in der Nacht schalten Menschen auf Schwarz-Weiß-Sehen um. So wichtig das Sehen für die meisten Menschen ist, unser Auge ist alles andere als perfekt. Lichtstrahlen, die durch den Rand der Hornhaut ins Auge fallen, werden auf einen anderen Punkt gebündelt als die Lichtstrahlen, die durch das Zentrum gehen. Dieser Abbildungsfehler wird zu einem gewissen Teil durch die Linse kompensiert, der Farbfehler des Auges kann jedoch nicht ausgeglichen werden. Die Brennweite des Auges ist für lange Wellenlängen (rot) deutlich länger als für kurzwelliges Licht (blau). Das Farbsehen erreicht dann kein gutes Auflösungsvermögen. Die beiden Fehler lassen sich im hellen Licht jedoch minimieren. Die Iris zieht sich zusammen, die Pupille wird kleiner und der Rand der Hornhaut wird nicht benutzt. Dadurch nimmt auch die Tiefenschärfe zu, so daß die Wirkung des Farbfehlers gering bleibt.

Bei schlechten Lichtverhältnissen muß die Pupille jedoch groß sein, um möglichst viel Licht durchzulassen. Abbildungsfehler wie beim menschlichen Auge würden eine klare Sicht dann verhindern. Im Randbereich ist die Augenlinse der Buntbarsche korrigiert, doch wie wird der Farbfehler ausgeglichen? Bei der Lösung dieses Rätsels halfen Kröger Modellrechnungen. Nach Messungen am Fischauge ließ sich berechnen, daß die Augenlinse konzentrisch angeordnet mehrere Zonen unterschiedlicher Brennweite besitzt. Dadurch werden die verschiedenen farbigen Lichtstrahlen auf eine Stelle der Netzhaut gebündelt. Es entsteht ein scharfes, farbiges Bild. Dies ließ sich auch im Experiment nachweisen.

Die Buntbarsche haben ihre Pupillen immer gleich weit geöffnet. Bei Katzen, deren Augenlinsen ebenfalls Zonen mit unterschiedlichen Brennweiten zeigen, schließen sich die Pupillen jedoch, wenn es hell ist. Wenn sich die Pupillen wie beim Menschen ringförmig über der Augenlinse zusammenziehen würde, wäre das Farbsehen unscharf. Denn die Brennweite der Randzone würde ausgeblendet. Die katzentypische, senkrechte Schlitzpupille läßt dagegen auch bei hellem Sonnenschein Licht auf alle Zonen der Augenlinse fallen. (2840 Zeichen)


Gute Sicht unter Wasser

Wie Buntbarsche bei schlechten Lichtverhältnissen Farben unterscheiden können

Das sprichwörtlich scharfe Auge des Adlers und der fast blinde Maulwurf zeigen, wie unterschiedlich das Sehvermögen bei den Wirbeltieren ausgebildet ist. Auch das Farbsehen ist im Wirbeltierreich ungleich verteilt. In lichtempfindlichen Augen mit großen Pupillen sollte der Farbfehler des Auges dessen Schärfentiefe bei weitem übersteigen, so daß Farbsehen mit guter Auflösung unmöglich erscheint. Der Biologe Dr. Ronald Kröger vom Anatomischen Institut der Universität Tübingen hat nun durch Berechnungen herausgefunden, wie das Farbsehen bei vielen wasserlebenden und dämmerungsaktiven Tieren funktioniert.

Grundlage des Sehens ist die Lichtrezeption. Dabei reagieren bestimmte Sinneszellen im Auge von Tieren auf Licht bestimmter Wellenlänge. Die Sinneszellen in der Netzhaut enthalten Photopigmente, die durch das Licht verändert werden. Entsprechend der Menge veränderten Photopigmentes sehen die Tiere Hell-Dunkel-Abstufungen. Wenn ein Teil der Photopigmente auf jeweils einen engen Bereich des sichtbaren Spektrums spezialisiert ist, führt die Lichtrezeption zu Farbsehen. Bevor das Licht im Auge die Netzhaut erreicht, wird es durch den optischen Apparat aus Hornhaut, Augenkammer und Augenlinse gebrochen und gebündelt. Die Netzhaut wiederum enthält Nervenzellen, die die Lichteindrücke verarbeiten und an das Gehirn weiterleiten. Nachttiere wie Eulen und Fledermäuse sehen ihre Umwelt schwarz-weiß. Besonders leistungsfähig sind dagegen die Augen mancher Wasser- und Steppenvögel. Bei ihnen kann die Netzhaut der Augen besonders dicht mit Photosinneszellen besetzt sein.

Die Leistungsfähigkeit jedes Auges hängt neben dem Bau der Netzhaut aber auch von der Ausbildung des optischen Apparates ab. Das Sehen in unterschiedlicher Umwelt ist immer ein Kompromiß. Einfache Linsen haben zwei große Fehler: "Zum einen werden die Lichtstrahlen, die durch den Rand der Linse fallen und dort gebrochen werden, kürzer hinter der Linse gebündelt als die Strahlen, die durch das Zentrum der Linse gehen", sagt Kröger. Durch dieses Phänomen, auch sphärische Aberration genannt, wird das Bild unscharf. Es wird in den Linsen der Tiere weitgehend dadurch ausgeglichen, daß die Brechungsindizes in der Linse vom Zentrum zum Rand in einem präzise eingestellten Gradienten abfallen. Zum anderen wird Licht verschiedener Wellenlänge, entsprechend unterschiedlicher Farbe, an der Augenlinse nicht gleich stark gebrochen. Farben können nur verschwommen wahrgenommen werden, Wissenschaftler sprechen von chromatischer Aberration. Dieser Abbildungsfehler des Auges kann nicht ausgeglichen werden.

Die Abbildungsfehler spielen keine große Rolle, wenn die Umgebung taghell erleuchtet ist. Beim Menschen zieht sich dann die Iris im Auge zusammen, die Pupille wird klein und die Ränder der Augenlinse sind verdeckt. Ähnlich wie bei einer Kamera, bei der die Blende geschlossen wird, gewinnt das Bild an Tiefenschärfe, die sphärische und chromatische Aberration machen nur geringe Probleme. "Anders ist es bei wasserlebenden oder dämmerungsaktiven Tieren. Sie brauchen eine weite Pupillenöffnung, damit überhaupt ausreichend Licht ins Auge fällt", erklärt Kröger. Bei den Buntbarschen ist die Linse durch unterschiedliche Brechkraft im Zentrum und am Rand korrigiert. Doch der Farbfehler der Linse müßte voll zum Tragen kommen. Der Biologe beschreibt, wie die Welt für den Buntbarsch aussehen müßte: "Während bei einer bestimmten Entfernung das grüne Licht dann scharf erscheint, befinden sich rote und blaue Anteile im unscharfen Bereich. Für hochauflösendes Farbensehen wäre das System nicht geeignet."

Das knifflige Rätsel, warum der Buntbarsch Farben dennoch scharf sehen kann, hat Kröger mit Modellrechnungen gelöst, die auf Messungen der sphärischen und chromatischen Aberrationen beruhen: "Die Augenlinsen zeigen konzentrisch Zonen. Eine kugelförmige Zone befindet sich in der Mitte und schalenförmige Zonen darum herum. Die Zonen haben unterschiedliche Brennweiten, so daß jede Zone Licht einer anderen Wellenlänge optimal auf die Netzhaut bündelt." Beim Menschen ist die Brennweite der Augenlinse zwar veränderbar, indem das Auge auf nahe oder ferne Ojekte eingestellt wird, doch ist die Brennweite dann über die ganze Linse einheitlich. "Die zonierten Augenlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten finden sich auch bei Landtieren, die wie manche Geckos oder Katzen in der Dämmerung aktiv sind", erklärt Kröger. Sie sind an der schlitzförmigen Pupille zu erkennen. Wenn sich die Pupille bei guten Lichtverhältnissen zu einem Schlitz verengt, kann das Licht dennoch durch alle Zonen der Augenlinse hindurchgehen. Würde die Pupille die Randbereiche einer solchen Linse wie beim Menschen beim Zusammenziehen ausblenden, würde das Farbsehen unscharf.

Die Augenlinse besteht aus Eiweiß. "Um Zonen unterschiedlicher Brennweite in der Augenlinse zu erzeugen, ist das Eiweiß unterschiedlich dicht. Erstaunlich ist, wie präzise die Verteilung auf die Optik abgestimmt wird, zumal die Zellen in der Augenlinse tot sind", sagt Kröger. Der Biologe hat die Entwicklung der Buntbarschaugen genauer untersucht. Dies ist nicht nur wegen der Fische selbst interessant, denn manche Entwicklungen bei den Fischaugen lassen auch Rückschlüsse auf die Augen der Menschen zu. Bei Menschen ist die Augenlinse bei der Geburt dick und wird im Laufe der Entwicklung dünner. "Bei kurzsichtigen Menschen geht das besonders schnell, wodurch die Brennweite des Auges sinkt. Leider verlängert sich das Auge aber noch schneller, so daß die abnehmende Brechkraft der Linse die Kurzsichtigkeit nur teilweise kompensieren kann", erklärt Kröger. Beim Sehen in die Ferne entsteht dann nur ein unscharfes Bild.

Im Experiment lassen sich auch Buntbarsche kurzsichtig machen. Dazu hat der Biologe sie zunächst in Aquarien gesetzt, die mit Rotlicht nur einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet wurden. Durch die chromatische Aberration ist die Brennweite des Auges länger, was die Tiere durch beschleunigtes Wachstum des Auges ausgleichen. "Setzt man die Fische anschließend in Weißlicht, so sind die Tiere kurzsichtig", erklärt Kröger. Inwieweit sich Fisch- und Menschenaugen ähneln, ist nicht bis ins Detail klar. Während Kurzsichtigkeit beim Menschen nicht heilbar ist, können sich die Fischaugen schon nach etwa sechs Wochen an neue Lichtbedingungen in der Umgebung anpassen. "Die Fischaugen wachsen ein Leben lang weiter, daher lassen sich Abbildungsfehler wieder korrigieren", sagt Kröger. Aber auch die menschliche Linse wächst lebenslang und es ist bisher nicht geklärt, wie ihre optischen Eigenschaften kontrolliert werden. Die Entwicklung der Augenlinse läuft möglicherweise nicht starr ab, sondern in Anpassung an das Licht in der Umgebung. Der Biologe hat auch bereits einen Botenstoff in der Netzhaut von Fischen entdeckt, der bei der Brennweitenregulierung der Augenlinse eine Rolle spielt. "Diese Kenntnisse helfen uns vielleicht, die Mechanismen zu verstehen, die in menschlichen Augen wirken", erklärt Kröger. (6983 Zeichen)

Nähere Informationen:

Dr. Ronald Kröger

Anatomisches Institut
Abteilung Zelluläre Neurobiologie
Österbergstraße 3
72074 Tübingen
Tel. 0 70 71/2 97 30 22
Fax 0 70 71/29 40 14


Der Pressedienst im Internet: http://www.uni-tuebingen.de/uni/qvo/pd/pd.html

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