Warum wir Farben sehen: Von der Nachtsicht zur Tagsicht

Wieso der Mensch Farbe sehen kann
Das menschliche Auge ist genau auf das Tageslicht der Sonne angepasst. Würden wir auf einem anderen Planeten Leben, hätten wir völlig andere Augen © Shutterstock

Das menschliche Auge entwickelte sich über viele Millionen Jahre Evolution. Und zuerst konnte es nur schwarz-weiß sehen. Doch irgendwann entwickelte es sich weiter: Wir konnten Farben sehen. PraxisVITA erklärt, wie es dazu kam.

Wissenschaftler der Emory University in den USA haben nach 20 Jahren Forschung herausgefunden, wie es genau dazu kam, dass der Mensch Farben sehen und unterscheiden kann. Das Besondere: Auf dem Weg zur Farbsicht vollzog der Mensch eine unglaubliche Entwicklung: Er stellte mithilfe der Evolution sein Sehvermögen von ultraviolett (UV) auf violett um – oder um es anders zu sagen: Er wandelte eine schattige Schwarz-Weiß-Sicht um – und wir konnten Farben sehen. Für diese Entwicklung benötigte er ganze 90 Millionen Jahre.

 

Die Gene des Sehvermögens

Die Fähigkeit des Auges dunkle und helle Lichtintensitäten (dim-light) und Farben sehen zu können wird ganz allgemein von insgesamt fünf verschiedenen Proteinen-Klassen in den Sehpigmenten bestimmt – den sogenannten Opsin-Genen. Das ist im Grunde bei den meisten Spezies ähnlich, denn sie alle haben ihre Augen in Anbetracht des gleichen Sonnenlichts entwickelt. Wird eines dieser Proteine in irgendeiner Weise verändert, verändert sich auch die Wahrnehmung von Licht und Farbe.

Unsere Vorfahren waren vor 90 Millionen Jahre nachtaktive Wesen und ihre Augen mussten deswegen auch mit verhältnismäßig wenig Licht auskommen. Sie sahen bichromatisch (hatten zwei Opsin-Gene in den Sehpigmenten) – was bedeutet, dass sie für eine bessere Nachtsicht UV-sensible Augen hatten und eher den roten Lichtbereich wahrnahmen. Richtiges Farben sehen war ihnen nicht möglich.

Farben sehen
Vor lange Zeit hatten Menschen eine beinahe so gute Nachtsicht wie Tiere© Fotolia
 

Mit dem Verhalten veränderten sich die Augen

Doch 60 Millionen Jahre später hatte sich das grundlegend geändert – wahrscheinlich, weil sich zuvor das Verhalten unserer Vorfahren grundlegend verändert hatte. Fest steht: Sie besaßen nun vier Opsin-Gene in den Sehpigmenten. Nun waren sie in der Lage das volle Farbspektrum des sichtbaren Lichts wahrzunehmen – kurioserweise mit Ausnahme von ultravioletten. Viele Hominiden – wie zum Beispiel Gorillas und Schimpansen – verfügen über dieses Sehvermögen und nehmen die gleichen Farben wie wir Menschen wahr. Dennoch konnten sich Wissenschaftler diese Seh-Entwicklung des Menschen lange nicht erklären. Die Veränderung in der Farbwahrnehmung waren so drastisch, dass sich ganze Forschergenerationen seit Jahrzehnten fragten: Wie war es möglich, dass wir plötzlich Farben sehen konnten?

Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt nun, dass lediglich sieben kleine Gen-Mutationen dazu führten, dass der Mensch seine Nachtsicht aufgab und zum Viel-Farben-Seher wurde. Um diese sieben Gen-Veränderungen genau verstehen zu können, mussten insgesamt – so berichten die Forscher – 5.040 „mögliche Wege“ identifiziert und überprüft werden, an denen sich die Mutation der Aminosäuren in den Genen hätten verändern und „neu orientieren“ können. „Jeder einzelne dieser 5.040 möglichen Wege wurde in Einzelexperimenten auf seine genaue Rolle für Gen-Veränderungen überprüft“, erklärt Professor Shozo Yokoyama von der Emory University.

 

Sieben Mutationen führten zur Farb-Sicht

Dabei stellte sich heraus, dass die sieben Mutation für sich keinen Einfluss auf das Farben sehen genommen hatte – was ihr Auffinden in diesem Zusammenhang so schwierig machte. Erst als genau diese sieben Mutationen in einer bestimmten Reihenfolge zusammen in einem Genom vorkamen, wurde die Welt des Menschen farbig.

Anlass für die Veränderung der Sehfähigkeiten des Menschen hin zu einer Tagsicht, folgte nach Aussagen der Wissenschaftler auf eine Veränderung der äußeren Umstände bzw. eines bestimmten Verhaltens unserer Vorfahren. Anders gesagt: Die bestimmte Reihenfolge, in der genau diese sieben Mutationen im menschlichen Genom auftreten mussten, macht es rechnerisch fast unmöglich, dass sich die Gene unserer Vorfahren zuerst durch Mutationen verändert haben könnten und erst danach das Verhalten an die neue – vielleicht zufällig entstandene Tagsicht angepasst wurde.

Farben sehen
Im Laufe der Jahrtausende entwickelten sich die Augen weiter – wir konnten Farben sehen. Unsere Nachtschicht wurde im Gegenzug immer schwächer© Fotolia

Dafür spricht auch die Tatsache, dass es aus genetischer Sicht weder sieben Mutationen noch 60 Millionen Jahre benötigt, um die Zusammensetzung der Opsin-Gene in den Augen entscheidend zu verändern. Beispielsweise benötigte der Degenfisch nur eine genetische Mutation und viel weniger Zeit, um sein Sehvermögen auf UV-Licht umzustellen. Offensichtlich veränderte sich also die Umwelt des Menschen so langsam, dass auch seine genetische Anpassung länger brauchte und Zeit hatte „Umwege“ gehen.

 

Augen: Eine Steilvorlage der Natur

Der Mensch hat seine Augen nicht durch Zufall, sondern, weil es auf der Erde Licht gibt, das von der Sonne kommt. Ohne diese „Steilvorlage“ der Natur aus dem Angebot Licht eine höchsteffektive Wahrnehmungstechnik zu entwickeln, hätte es auch keinen Sinn gemacht, Augen zu entwickeln – und erst recht nicht, mit ihnen Farben sehen zu können.

Ein Lichtstrahl der Sonne benötigt genau acht Minuten und 20 Sekunden bis er die Erde erreicht hat und legt dabei eine Strecke von etwa 150 Millionen Kilometer zurück. Aber warum strahlt Licht von der Sonne zu Erde?

Für die Antwort muss man sich ein bisschen der Grundlagen der Chemie und Physik bedienen – denn in der Sonne passiert eigentlich das Gleiche wie in Atomreaktoren auf der Erde – nur im kleineren Maßstab. Auf der Sonne entsteht eine für Menschen tödliche Gammastrahlung in unvorstellbar hohen Dosierungen. Denn in ihrem Inneren verschmelzen gigantische Mengen Materie. In unserer Sonne werden auf diese Weise jede Sekunde 700 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium umgewandelt.

 

Das Geheimnis des Lichts

So "verdampfen" pro Sekunde fünf Millionen Tonnen Materie als hochenergetische Gammastrahlung. Sie ist quasi konzentriertes Licht – das für unsere Augen jedoch unsichtbar ist. Auf dem Weg an die Sonnenoberfläche verliert die Gammastrahlung allerdings so viel Energie, dass sie sichtbar und ungefährlich wird. Das ist das Geheimnis des Lichts. Physiker konnten es erst mithilfe von Einsteins berühmtester Entdeckung entschlüsseln – der Formel zur Umwandlung von Masse in Energie: E=mc2.

Sonne verursacht Licht
In der Sonne werden in jeder Sekunde 700 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium umgewandelt – und produziert so das Licht, mit dem wir sehen© Shutterstock

Eine andere Frage beantwortet Einstein mit seinem schlauen Satz allerdings nicht: Was ist Licht? Die Antwort blieb dem Erfinder der Relativitätstheorie verwehrt. Er starb ohne die folgende Erkenntnis, die erst heute möglich ist – dank der Untersuchung mit modernster Technik: Licht besteht aus Teilchen. Aber es ist auch eine Welle, so wie Mikrowellen oder andere Strahlung. Manchmal verhält es sich so wie ein Partikel, manchmal wie eine elektromagnetische Welle. Physiker bezeichnen das als Welle-Teilchen-Dualismus. Das passt recht gut zum Licht, denn es entzieht sich auch sonst allen Regeln der klassischen Naturwissenschaft. Ein Beispiel: Es ist immer gleich schnell, egal, ob wir uns darauf zu oder von ihm weg bewegen. Seine Geschwindigkeit beträgt immer etwa 300 000 Kilometer pro Sekunde oder eine Milliarde Kilometer pro Stunde (km/h).

Die sogenannte Lichtgeschwindigkeit ist dann auch die ultimative Geschwindigkeitsbegrenzung im Universum - nichts kann jemals schneller sein. Andere physikalische Größen, wie der Schall etwa, funktionieren nach den normalen Naturgesetzen. Denn seine Geschwindigkeit ändert sich für den Betrachter, je nachdem in welcher Richtung wir uns im Verhältnis zum Schall bewegen und wie schnell wir sind. Wir können den Schall sogar überholen – ab einer Geschwindigkeit von etwa 1.225 km/h.

 

Licht hat keine Masse

Hinzu kommt, dass die Lichtteilchen, sogenannte Photonen, keinerlei Masse haben. Aber wie kann es sein, dass ein Teilchen nichts wiegt? Ein Rätsel, das Physiker bis heute beschäftigt. Die letzten Geheimnisse des Lichts haben sie immer noch nicht ergründet. Obwohl es das Erste ist, was wir nach der Geburt sehen, wenn wir die Augen öffnen.

Womit wir zur nächsten Frage der Physik kommen: Warum sehen wir Licht? Wir sehen das, was wir Licht nennen, weil unsere Augen – wie schon erwähnt – genau dafür geschaffen sind. Sie funktionieren nur dann, wenn Lichtteilchen, Photonen, auf Helligkeitsrezeptoren auf der Netzhaut treffen. Von dort wird ein Signal ins Gehirn geschickt, das in Bruchteilen von Millisekunden ein dreidimensionales Bild aus den Informationen formt – wir sehen.

Doch diese Helligkeitsrezeptoren funktionieren genau genommen wie eine schmale Einflugschneise. Ist die Wellenlänge der eintreffenden Strahlung also zu groß, erteilt das Auge – einfach gesagt – keine Landeerlaubnis. Ist sie zu klein, wird sie vom Tower – in dem Fall dem Gehirn – nicht mehr erkannt. Die Rezeptoren sind nur für bestimmte Wellenlängen gemacht. Daher sehen wir heute genau die Wellenlängen von Strahlung, die wir Licht nennen, und nicht etwa infrarote oder ultraviolette Strahlung (wie noch vor 90 Millionen Jahren), Mikrowellen-, Röntgen- oder Gammastrahlung. Warum das so ist?

Wenn das Weltall aber voll von Licht ist, wieso sieht es dann so dunkel aus? Bei dieser Frage sind wir wieder bei unseren Vorfahren vor 90 Millionen Jahren. Einen gewissen Teil des Lichts sehen wir nicht, weil sich unsere Augen mittlerweile an ein Leben im Tageslicht angepasst haben.

 

Die Physik hinter der Farbsicht

Um Farben sehen zu können ist nicht nur die Helligkeit des Lichts (Lux) von Bedeutung, sondern auch der sogenannte Farbwiedergabeindex. Mit diesem wird praktisch die Qualität der Farbwiedergabe im Zusammenhang mit unterschiedlichen Lichtquellen und Oberflächenstrukturen errechnet. Der Farbwiedergabeindex hat im hellen Sonnenlicht einen Wert 100. Leuchtstofflampen dagegen haben z.B. einen Wert von 80. Dieser Wert ist nicht zufällig, denn um einen Farbton deutlich erkennen zu können, benötigt man mindestens einen Wert von 80. Halogenlampen haben übrigens einen Wert von fast 100 – gute LED-Lampen dagegen einen Wert von 94.

Bezüglich des Bedarfs an Helligkeit – damit unsere Augen Farben erkennen können –werden in Fachkreisen immer wieder 20 Lux genannt – allerdings reagieren menschliche Augen unterschiedlich auf Helligkeit. Frauen sehen deswegen Farben besser als Männer.

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