Farbsehen verstehen: Wie Zapfenzellen Licht wahrnehmen

Einleitung

Farbe ist das Ergebnis einer Kette komplexer Wechselwirkungen. Eine der wichtigsten Wechselwirkungen findet zwischen Lichtwellenlängen und den Zapfenzellen im menschlichen Auge statt. Ein wenig Hintergrundwissen über die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und ein wenig über Signalmechanismen in Neuronen wird helfen, den Mechanismus der Lichtabsorption zu verstehen – und warum Menschen in drei verschiedenen Farben sehen.

Licht und Materie

• 1. Verschiedene Lichtwellenlängen tragen unterschiedliche Mengen an Energie. Längere Wellenlängen bedeuten weniger Energie; kürzere Wellenlängen bedeuten mehr. Wenn ein Photon – die kleinstmögliche Lichtmenge – durch ein Material reist, passiert eines von drei Dingen: Es überträgt sich durch, reflektiert sich oder wird absorbiert. Das Schicksal des Photons hängt von den Eigenschaften des Materials ab, durch das es reist. Wenn das Atom oder Molekül zwei verschiedene Energiezustände hat, die durch die Menge an Energie, die im Photon enthalten ist, getrennt sind, ist seine Wahrscheinlichkeit, absorbiert zu werden, höher.

Sichtbares Licht

• 2. Atome sind von Elektronen umgeben. Elektronen können sich in verschiedenen Energiezuständen um das Atom befinden, obwohl sie sich typischerweise in ihrer niedrigsten Energiekonfiguration aufhalten möchten. Es stellt sich heraus, dass die Energien von sichtbarem Licht genau im Bereich des Energieunterschieds von Elektronen um Atome liegen. Wenn also sichtbares Licht durch ein Material reist und die Farbe des Lichts genau der Energie entspricht, die benötigt wird, um ein Elektron von einer Konfiguration in eine andere zu bewegen, dann wird das Licht absorbiert und das Elektron landet in seiner neuen Konfiguration.

Zellsignalisierung

• 3. Neuronen übertragen Signale, indem sie Chemikalien durch Kanäle in ihrer Zellmembran übertragen. Wenn sich bestimmte Moleküle in ihrer Konfiguration ändern, modifizieren sie die Verteilung ihrer Atome und lösen andere Moleküle aus, darauf zu reagieren. In dem, was als „enzymatische Kaskade“ bezeichnet wird, endet ein anfangs kleines Signal damit, durch die Zelle verstärkt zu werden, und löst die Öffnung der Kanäle in der Zellmembran aus. Die offenen Kanäle lassen andere Signalmoleküle heraus, und die Nachricht wird gesendet. In den Zapfenzellen im Auge lautet die Nachricht: „Ich habe etwas Licht gesehen.“

Retinal und Zapfenzellen

• 4. Es gibt drei verschiedene Arten von Zapfenzellen im normalen menschlichen Auge (Menschen mit weniger Arten leiden unter Farbfehlsichtigkeit, und Menschen mit vier Arten werden Tetrachromaten genannt). Jede Art von Zapfenzelle absorbiert eine etwas andere Lichtfarbe: Blau, Grün und Gelbgrün. Wie in den Abschnitten 1 und 2 erläutert, wird Licht am besten absorbiert, wenn es genau mit einem Energieunterschied in den Elektronen in einem Atom übereinstimmt. In Zapfen wird dieses Molekül Retinal genannt. Retinal absorbiert sichtbares Licht, indem es ein Elektron von einem Energieniveau auf ein anderes bewegt. Die Energieänderung dieses einen Elektrons verändert die Form des Retinals. Das ist das Herzstück allen menschlichen Sehens – und fast allen Sehens auf der Erde: Ein absorbiertes Photon verändert die Form von Retinal.

Retinal im Auge

• 5. Retinal in seiner normalen Konfiguration ist an ein anderes Molekül an der Oberfläche einer Zapfenzelle gebunden. Opsin ist ein größeres Molekül, das ein Retinalmolekül festhält. Wenn das Retinal seine Form ändert, springt es aus dem Opsin heraus. Das Opsin ändert dann seine Konfiguration und startet eine Signalkaskade. Ein Photon ergibt ein Signal von etwa 100.000 Molekülen weiter unten in der Kette. Das Opsin wird schließlich durch ein anderes Molekül innerhalb der Zelle wieder in Form gebracht. In der Zwischenzeit bewegt sich das verzerrte Retinal aus der Netzhaut heraus, wird in seine andere Form recycelt und ist schließlich frei, sich an ein anderes Opsin zu binden.

Verschiedene Farben

• 6. Wenn das gesamte Licht vom selben Molekül – Retinal – absorbiert wird, wie werden dann Photonen unterschiedlicher Energie absorbiert? Die Antwort ist, dass die drei verschiedenen Zapfenzellen im Auge nur leicht unterschiedliche Versionen des Opsinmoleküls erzeugen. Diese Opsinmoleküle, die das Retinal festhalten, modifizieren die möglichen Elektronenergien im Retinal. Modifizierte Energie bedeutet, dass ein anderes Photon absorbiert wird, und deshalb haben Menschen drei verschiedene Farbsensoren im Auge.