Das Auge – Digicam mit raffinierten Funktionen

Author: Michael Simm

Auflösung im Megapixelbereich, absolute Farbtreue, schnelle Anpassung an unterschiedlichste Lichtverhältnisse, jahrzehntelanger störungsfreier Betrieb. Mit den Leistungen der Augen können selbst High-Tech-Profikameras nicht konkurrieren.

Scientific support: Prof. Dr. Andreas Reichenbach, Prof. Dr. Andreas Bringmann

Published: 26.04.2016

Difficulty: intermediate

Der Pupillenreflex

Der Pupillenreflex sorgt dafür, dass sich unsere Pupillen bei einer plötzlichen Erhöhung der Lichtintensität sofort verengen. Wer sich vor einem Spiegel mit einer Taschenlampe in ein Auge leuchtet, wird zudem feststellen, dass dabei die Pupillen beider Augen gleichermaßen kontrahieren. Dieses Phänomen der konsensuellen Pupillenverengung erklärt sich aus der Verschaltung der Nervenbahnen, die Informationen über die Helligkeit vermitteln. Ausgehend von der Netzhaut gelangen diese Signale via Sehnerv zur Sehnervenkreuzung. Hier wird der Input aus jedem Auge auf den linken und den rechten äußeren Kniehöcker (Corpus geniculatum) und damit auf beide Hirnhälften verteilt. Von dort erstrecken sich wiederum Nervenfasern in die prätekale Region, über die die Erregungen zum linken und rechten Kern des Nervus okulomotorius weiterlaufen. Diese Nerven übermitteln über eine letzte Schaltstation - das Ganglion ciliare - den Befehl an die Zirkularmuskeln beider Augen, sich zusammen zu ziehen und damit die Pupillen zu verengen. Alles in allem kann das Auge Helligkeitsschwankungen bis zum Faktor eine Milliarde bewältigen. Dazu trägt die Pupille zwar bei, den Großteil dieser Anpassungsarbeit leisten aber die raffiniert verschalteten Sinnes- und Nervenzellen in unserer Netzhaut.

Da Wichtigste in Kürze

Der Sehsinn ist ein zentraler Teil der Wahrnehmung. Unser Auge funktioniert besser als jede Digitalkamera.
Die Pupille kontrolliert die Lichtaufnahme, ist es hell, zieht sie sich zusammen, ist es dunkel, weitet sie sich, damit mehr Licht einfallen kann.
Hornhaut und Linse sorgen dafür, dass das Licht im richtigen Winkel gebrochen wird und auf der Netzhaut landet.
Die Netzhaut wandelt die Lichtreize in Nervenimpulse um. Dabei nimmt sie das Bild nicht nur auf, sondern analysiert es nach Kriterien wie Kontrast und Farbe.

15 Gramm wiegen sie nur, unsere beiden Augen. Das entspricht kaum einem 5000-stel des Körpergewichts und doch bildet diese hochkomplexe Struktur unser Fenster zur Welt. Manche Funktionen entsprechen dabei denen eines hochwertigen Fotoapparats, wie etwa ein „Autofokus“, mit dem auf ein Objekt scharf gestellt wird. Und die Netzhaut, die aus dem einfallenden Licht ein Abbild der Außenwelt erzeugt, kann man durchaus mit dem Sensor-Chip in einer Digicam vergleichen, mit dem Unterschied, dass die Retina das Bild nicht nur „aufnimmt“, sondern nach Kriterien wie Kontrast und Farbe analysiert und weiterverarbeitet. Und selbst den besten Filmkameras fehlt eine Automatik, mit der sich bewegliche Objekte verfolgen ließen. Das Auge hat sie. Und die Objektive der zigtausend Euro teuren Profi-Geräte müssen auch im 21. Jahrhundert noch von ihrem Benutzer per Hand gereinigt werden, zerkratzen aber dennoch nach einigen Jahren. Augenlider, Blinzelreflex und die gegen Krankheitskeime wirkende Tränenflüssigkeit bewahren hingegen die an den Augen zuvorderst gelegene Hornhaut und gewährleisten stets klare Sicht.

Schon die Lage der Augäpfel in tiefen, von Schädelknochen geschützten Höhlen macht deutlich, wie wichtig der Sehsinn in der Entwicklung des Menschen war und für unser Alltagsleben noch immer ist. Um möglichst viele Informationen über die Umwelt einzufangen, sind die kugelförmigen, etwa 24 Millimeter durchmessenden Augäpfel ständig in Bewegung. Sechs zarte Muskeln pro Auge erlauben es uns, auch ohne Kopfdrehung von links nach rechts ein Gesichtsfeld von bis zu 180 Grad zu überblicken. Nach oben und unten sind es immerhin noch 60 bzw. 70 Grad.

Der Aufbau des Auges ist komplex. Erst das Zusammenspiel von Hornhaut, Linse, und der anderen Elemente ermöglicht gute Sicht.

Lichteinfall wird automatisch reguliert

Im Auge selbst gibt es eine klare Arbeitsteilung: Einerseits muss einfallendes Licht gesammelt, gebrochen und auf eine Ebene fokussiert werden, sodass sich dort ein scharfes Abbild der Außenwelt ergibt. Dies ist Sache des optischen Apparats, zu dem alle lichtdurchlässigen Teile gehören. Seine Funktion ähnelt der des Objektivs einer Kamera, seine Leistung übertrifft allerdings die eines ganzen Objektivsatzes. Nachdem diese „Vorarbeit“ geleistet ist, übernimmt die Netzhaut (Retina) die Regie. Sie wandelt die Lichtreize in Nervenimpulse um, aus denen das Gehirn dann letztlich eine visuelle Wahrnehmung erzeugt.

Der nach außen augenfälligste Teil des optischen Apparats ist wohl die Iris, jene Struktur, die den Augen ihre Farbe verleiht und deren Muster sich wie der Fingerabdruck von Mensch zu Mensch unterscheidet. Da die Göttin Iris in der griechischen Mythologie den Regenbogen personifiziert, wird sie auch Regenbogenhaut genannt. In ihrer Mitte befindet sich eine schwarz erscheinende Öffnung – die Pupille. Mit ihrer Hilfe wird reguliert, wie viel Licht ins Augeninnere eintritt.

Bei großer Helligkeit zieht sich die Pupille automatisch zusammen — bis auf einen Durchmesser von 1,5 Millimetern. Im Dunkeln dagegen erweitert sie sich auf eine Größe von bis zu acht Millimeter. Gesteuert wird dieser Pupillenreflex durch ein Wechselspiel zweier Muskeln in der Iris: Zum einen den ringförmigen Musculus sphincter pupillae, der bei Kontraktion die Pupille verengt, zum anderen den speichenförmig angeordneten Musculus dilatator pupillae, der den inneren Rand der Iris zurückzieht und dadurch die Pupille erweitert. Dies ist ein Weg, über den sich das Auge an unterschiedliche Lichtverhältnisse anpassen kann.

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Autofokus auf die Netzhaut

Wenn Licht durch die Pupille fällt, hat es eine für unser Sehvermögen entscheidende Struktur aber bereits passiert – die Hornhaut oder Cornea. Sie bildet die Außenfläche des Auges. Lichtstrahlen, die auf die gekrümmte Hornhaut treffen, werden dort erstmals gebrochen, sodass sie an einem bestimmten Punkt zusammenlaufen. Die Strecke zwischen diesem so genannten Brennpunkt und der Brechungsoberfläche ist die Brennweite. Der Kehrwert der Brennweite in Metern ist die Brechkraft, für die man als Maßeinheit die Dioptrie benutzt. 43 Dioptrien beträgt die Brechkraft der Cornea. Parallele Lichtstrahlen werden also 0,023 Meter beziehungsweise 2,3 Zentimeter hinter der Hornhautoberfläche fokussiert, was ungefähr dem Durchmesser des Auges entspricht. Das heißt, wenn wir ein weit entferntes Objekt betrachten, von dem die Lichtstrahlen praktisch parallel eintreffen, genügt allein die Brechkraft der Cornea, um diese am gewünschten Ort zu bündeln – auf der Netzhaut.

Neben der Cornea besitzt das Auge aber noch eine Linse, die sich direkt hinter der Iris befindet. Eigentlich unnötig könnte man denken. Tatsächlich trägt die Linse nur wenig zu einer präzisen Fernsicht bei. Doch ihre Stunde schlägt, wenn scharfe Abbilder von Gegenständen erzeugt werden müssen, die weniger als acht, neun Meter von uns weg sind. Denn dann laufen die von einem beliebigen Punkt dieses Objekts ausgehenden Lichtstrahlen nicht mehr praktisch parallel, sondern auseinander. Um sie auf die Netzhaut zu fokussieren, wird zusätzliche Brechkraft benötigt. Die liefert die Linse – und zwar indem sie ihre Form verändert. Ein Vorgang, der Akkomodation heißt und vom Ciliarmuskel bewerkstelligt wird. An diesem kreisförmigen Muskel ist die Linse über die Zonulafasern aufgehängt. Kontrahiert er sich, lässt der Zug der Aufhängebänder nach. Dadurch rundet sich die Linse, die eine natürliche Elastizität besitzt, ab. Weil die Linsenoberfläche dann stärker gewölbt ist, nimmt ihre Brechkraft zu. Umgekehrt vergrößert die Entspannung des Ciliarmuskels den Zug der Zonulafasern und flacht so die Linse ab — bis hin zur Ferneinstellung, in der sie das Licht fast gar nicht bricht.

Nahpunkt wandert in die Ferne

16 Dioptrien beträgt die volle Brechkraft der Linse im Idealfall. Damit kann man Dinge, die etwa sieben Zentimeter vom Auge weg sind, noch scharf sehen, mit maximaler Akkomodation. Idealfall heißt allerdings beim Kind. Denn mit zunehmendem Alter rückt dieser Nahpunkt weiter in die Ferne, weil die Elastizität der Linse nachlässt. Ab 35 Zentimetern wird es kritisch – und in der Regel Zeit für eine Lesebrille. Denn die bringt mittels vorgeschalteter künstlicher Linsen das Auge wieder zu seiner maximalen Gesamt-Brechkraft von insgesamt knapp 60 Dioptrien.

Ob mit oder ohne Brille: Nachdem die einfallenden Lichtstrahlen gebrochen wurden, durchlaufen sie den flüssigkeitsgefüllten Glaskörper, kreuzen sich dort und erzeugen schließlich auf der den Augapfel innen auskleidenden Netzhaut ein auf dem Kopf stehendes Abbild der Außenwelt. Hier endet die Aufgabe des optischen Apparates, die da lautet: Optimale Bildqualität unter verschiedensten Bedingungen.

Nun liegt es an der Netzhaut mit ihren 126 Millionen Sinneszellen, die Lichtreize in Nervenimpulse umzuwandeln, erste Verarbeitungsschritte zu leisten, die Informationen über den Sehnerv zu höheren Hirnregionen zu schicken, wo sie dann zu einer visuellen Wahrnehmung zusammengesetzt werden.