Farbensehen und Hell-Dunkel-Sehen

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1 Farbensehen und Hell-Dunkel-Sehen Ein Beitrag zum NWA-Tag 2011 von Marjorie Fanzot-Rittner Maren Schmucker Anne-Kathrin Sigler

2 Inhalt 1. Bezug zum Bildungsplan Sachinformation für die Lehrperson Aufbau des Auges Aufbau der Netzhaut Das Farbensehen Hell-Dunkel-Sehen Möglichkeiten für eine schülerorientierte Umsetzung im Unterricht Versuch: Aus bunt und bunt wird Weiß Versuch: Farbensehen und Hell-Dunkel-Sehen Versuch: Verteilung der Rezeptortypen in der Netzhaut Strukturlegemodell zur Anordnung der Sehsinneszellen auf der Netzhaut Literatur...9

3 1. Bezug zum Bildungsplan Die Themen Hell-Dunkel-Sehen sowie Farbsehen gehören zur Unterrichtseinheit Das Auge. Im Bildungsplan 2004 für Realschulen in Baden-Württemberg soll dieser Unterrichtsgegenstand bis Ende Klasse 7 innerhalb des themenorientierten Unterrichts Experimentieren mit Schall und Licht erarbeitet werden. Das in diesem Beitrag erarbeitete Thema gehört zur Leitidee Den eigenen Körper verstehen. Die Schüler sollen Kenntnisse von Bau und Funktion wichtiger Organsysteme erarbeiten ( Im Beitrag angestrebt: Durch einen Informationstext die Anordnung der Sehsinneszellen auf der Netzhaut wissen, sowie im Strukturlegemodell anwenden). Dabei sollen sie verschiedene Experimente durchführen und dadurch die Leistungen eines Sinnesorgans im Zusammenwirken mit dem Gehirn verstehen. Innerhalb dieser Thematik werden folgende, im Bildungsplan geforderte, Kompetenzen angestrebt: Versuche durchführen Daten erheben durch Beobachten, Beschreiben, Vergleichen Ergebnisse dokumentieren, reflektieren und diskutieren naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen nutzen und anwenden in der Teamarbeit Kooperations- und Kommunikationsformen für zielgerichtetes Arbeiten erwerben Experimente, Erkenntnisse und Fakten in angemessener Fachsprache präsentieren und auf Rückfragen antworten auf Modellebene denken mit Modellen sich selbst beschreiben 1

4 2. Sachinformation für die Lehrperson 2.1 Aufbau des Auges 1) Augenmuskel 2) Lederhaut 3) Aderhaut 4) Netzhaut 5) Sehnerv 6) Blinder Fleck 7) Gelber Fleck (= Sehgrube ) 8) Glaskörper 9) Ziliarmuskel 10) Linsenbänder 11) Iris 12) Augenlinse 13) Pupille 14) Vordere Augenkammer 15) Hornhaut 2

5 2.2 Aufbau der Netzhaut Die Netzhaut (Retina) liegt auf der Innenseite der Aderhaut (Choriodea) und bildet die innerste Zellschicht des Auges. In der Netzhaut des Menschen befinden sich weit über 100 Millionen lichtempfindliche Sinneszellen (Photorezeptoren). Die Signale der retinalen Zellen werden über den Sehnerv in das Gehirn weitergeleitet. An der Stelle, wo der Sehnerv austritt, liegt der blinde Fleck. Hier befinden sich keine Rezeptoren, so kann dort auf die Retina treffendes Licht nicht wahrgenommen werden. In der Netzhaut befinden sich zwei verschiedene, nach ihrer Form benannte, Rezeptorentypen: ca. 125 Millionen Stäbchen und sechs Millionen Zapfen. 1. Die längeren, schlanken Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen und das Dämmerungssehen zuständig. Sie befinden sich im Randbereich der Netzhaut. Mehrere Stäbchen sind über eine Schaltzelle mit einer Nerverzelle verbunden. 2. Die kürzeren, dicken Zapfen sind für das Farbensehen zuständig. Sie brauchen viel Licht und liegen im Zentrum der Netzhaut, vor allem im gelben Fleck. Ungefähr Zapfen pro Quadratmillimeter bilden hier die größte Rezeptorendichte in unserem Auge. Jeder Zapfen ist direkt mit einer Nervenzelle verbunden, deshalb ist hier auch die Stelle des schärfsten Sehens. Beim Fixieren eines Gegenstands wird das Auge mit der Linse so ausgerichtet, dass das Bild auf dem gelben Fleck entsteht. 3

6 2.3 Das Farbensehen In der Netzhaut gibt es nur Sinneszellen (Zapfen) für drei verschiedene Farbbereiche. Sie sprechen auf den roten, blauen und grünen Farbbereich an. Hierbei bezieht sich die Farbbezeichnung auf die Wellenlänge des Lichts, die von dem jeweiligen Photopsin absorbiert wird, denn jeder Zapfentyp enthält ein bestimmtes Zapfenpigment (Photopsin). Diese Sehpigmente liegen in der Außenmembran der Zapfen. Werden sie durch Licht gereizt, zerfällt das Photopsin und verursacht so ein Rezeptorpotential, welches an die Synapsen weitergeleitet wird. Die Empfindlichkeiten der Zapfen überlappen sich stark und aus der Kombination der Reizstärke dieser drei Arten von Zapfen entsteht dann der Farbeindruck. Unser Auge kann Mischlicht nicht von reinen Spektralfarben unterscheiden, weil jeweils der gleiche Reiz erzeugt wird. Werden alle drei Zapfentypen gleichermaßen gereizt, sehen wir Weiß oder Grau, d.h. dass Licht aller Farben des Spektrums mit gleicher Helligkeit ins Auge fällt. Wir sehen ebenfalls Weiß, wenn unser Auge von Mischlicht aus rotem, blauem und grünen Licht angeregt wird. Gelbes Spektrallicht reizt die roten und grünempfindlichen Zapfen. Dieselben Zapfen werden aber auch von Mischlicht aus Rot und Grün gereizt. In beiden Fällen sehen wir Gelb. 4

7 2.4 Hell-Dunkel-Sehen In der Netzhaut des menschlichen Auges befinden sich zwei unterschiedliche Rezeptortypen, die nach ihrer Form benannt sind und jeweils verschiedene Aufgaben beim Sehen wahrnehmen: Stäbchen und Zapfen. Die Stäbchen sind lang und dünn. Von ihnen gibt es ca. 125 Millionen Exemplare. Im Gegensatz zu den Zapfen sind sie farbenblind und somit für das Hell-Dunkel-Sehen bzw. das Sehen in Schwarz-, Weiß- und Graustufen verantwortlich. Sie sind ungefähr mal lichtempfindlicher als Zapfen und werden bereits von Dämmerlicht erregt. Die größte Anzahl von Stäbchen findet sich im Randbereich der Netzhaut, wo diese verdichtet vorliegen. Generell wird die sensorische Erregung mehrerer Stäbchen auf eine Bipolarzelle übertragen, während wiederum mehrere Bipolarzellen mit einer Ganglienzelle verbunden sind und die sensorische Erregung letztendlich von Ganglienzellen an das Gehirn weitergeleitet wird. 3. Möglichkeiten für eine schülerorientierte Umsetzung im Unterricht 3.1 Versuch: Aus bunt und bunt wird Weiß Material: CD -Rohling Buntes Papier Schnelllaufender Motor mit Achse zum Aufstecken einer Pappscheibe oder alternativ: kurzer, dicker Stift. Durchführung: Die CD mit vier farbigen Segmenten bekleben. Die Scheibe auf die Achse des Motors setzen und rasch drehen lassen. Alternativ: In die Mitte der Scheibe einen Stift hindurch schieben, der als Kreiselspitze dient. Versuchsergebnis: Lässt man die Scheibe als Kreisel rotieren, werden die Farben nicht mehr als solche erkannt. Die Scheibe wird mehr oder weniger Grau. Erklärung: Die rasch hintereinander auf die Sinneszellen der Netzhaut fallenden Farben werden nicht mehr getrennt wahrgenommen, sondern vermischen sich, weil innerhalb der Abklingzeit ein neuer Reiz nicht als solcher wahrgenommen werden kann. Einsatz im Unterricht: Der Versuch eignet sich gut, um das Problem der Mischfarben zu studieren. Es können auch Kreisel mit verschiedenen Farben beklebt werden, z.b. Rot + Grün, Blau + Gelb, Rot + Gelb usw. Dabei stellen die Schülerinnen und Schüler fest, dass sich nur Komplementärfarben zu Weiß vermischen. Allerdings ist die weiße Farbe eher grau oder gelblich, weil die verwendeten Farben ebenfalls Mischfarben und nicht spektralrein sind. 5

8 3.2 Versuch: Farbensehen und Hell-Dunkel-Sehen Material: beliebige Figuren, z.b. Hasen, ausgeschnitten aus rotem, grünem und blauem Papier Klebestreifen oder Ähnliches (zur Befestigung der Figuren an der Tafel) Versuchsdurchführung: Die Schüler begeben sich zur hinteren Wand des Raumes. Nachdem das Zimmer abgedunkelt worden ist, werden die farbigen Figuren an der Tafel befestigt. Die Schüler sollen nun beobachten, was sie erkennen können. Anschließend wird der Raum langsam wieder erhellt. Die Schüler achten wiederum darauf, was sie währenddessen beobachten können. Erklärung: Im abgedunkelten Raum nehmen die Schüler zuerst lediglich die Form der Figuren wahr. Die verschiedenen Farben sind bei mangelndem Lichteinfall noch nicht erkennbar. Erst wenn der Raum allmählich erhellt wird, können auch die Farben wahrgenommen werden. Dieses Phänomen lässt sich durch die Existenz zweier unterschiedlicher Arten von Lichtsinneszellen erklären: Die Stäbchen, die für das Hell-Dunkel-Sehen verantwortlich sind, sind sehr lichtempfindlich und werden bereits durch die äußerst geringe Lichtmenge, die im abgedunkelten Raum vorhanden ist, erregt. Dadurch kann bei dem geschriebenen Versuch zu Beginn bereits die Form der Figuren wahrgenommen werden. Die Zapfen dagegen, die für das Farbensehen zuständig sind, benötigen zur Erregung bedeutend mehr Licht. Aufgrund dessen werden die Farben erst dann erkannt, wenn der Raum erhellt wird und dadurch genügend Licht vorhanden ist. 3.3 Versuch: Verteilung der Rezeptortypen in der Netzhaut Material: großes Blatt Papier (Halbkreis mit Mittellinie eingezeichnet) Kärtchen (Markierung: verschiedene Farben und verschiedene Formen) Bleistift 6

9 Versuchsdurchführung: Die Schüler bilden Dreiergruppen. Das Blatt Papier wird auf einem Tisch ausgelegt und die Versuchsperson setzt sich an den Tisch. Sie stützt einen ihrer Arme angewinkelt auf die Mittellinie, während sie mit den Augen starr und konsequent den Zeigefinger des angewinkelten Armes fixiert. Nun führt ein Partner, der hinter der Versuchsperson steht, jeweils nacheinander von hinten ein Kärtchen auf den Zeigefinger der Versuchsperson zu. Er bewegt dieses dabei gemächlich auf Augenhöhe der Versuchsperson und in Form eines Halbkreises. Die Versuchsperson gibt Bescheid, wenn sie jeweils die Form und die Farbe auf den Kärtchen erkennen kann. Daraufhin zeichnet der zweite Partner mit dem Bleistift eine Markierung an den jeweiligen Stellen auf dem Halbkreis ein. Erklärung: Im Randbereich der Netzhaut befinden sich hauptsächlich Stäbchen. Dort bzw. im Randbereich des Halbkreises kann deswegen keine Farbwahrnehmung stattfinden und die Versuchsperson wird lediglich Grautöne sehen. Auch die Form kann noch nicht identifiziert werden, da die Versuchsperson nur erkennt, dass sich etwas bewegt. Erst mit Annäherung an die Mitte des Sehfeldes wird die Form erkennbar. Dasselbe trifft auf die Farbwahrnehmung zu, da die Zapfen hauptsächlich im Zentralbereich der Netzhaut lokalisiert sind. Jedoch wird die Versuchsperson höchst wahrscheinlich erst blau, dann rot und schließlich grün wahrnehmen, da dies der Reihenfolge entspricht, wie die verschiedenen Zapfentypen von außen nach innen in der Netzhaut vorliegen. 3.4 Strukturlegemodell zur Anordnung der Sehsinneszellen auf der Netzhaut Die Schülerinnen und Schüler bauen mit Hilfe eines Informationstextes und verschiedenen Materialien ein Modell für den Bau der Netzhaut im gelben Fleck und ein Modell für den Bau der Netzhaut im Randbezirk. Infotext: Anordnung der Sehsinneszellen auf der Netzhaut 1. Schau dir die Materialien genau an und überlege aufgrund des nachfolgenden Textes, was die einzelnen Teile darstellen sollen. Die Netzhaut enthält mehr als 100 Millionen Lichtsinneszellen. Es gibt zwei verschiedene Typen von Lichtsinneszellen Stäbchen für das Hell-Dunkel-Sehen Zäpfchen für das Farbensehen Auf ein Zäpfchen kommen ungefähr 120 Stäbchen. Beschreibe: Stäbchen sind und Zäpfchen sind und (verwende die Begriffe: dick/schlank/kurz/lang) Es gibt wesentlich Stäbchen wie Zäpfchen Im Randbereich der Netzhaut sind mehrere Sinneszellen über eine Schaltzelle mit einer Nervenzelle verbunden 7

10 In der Mitte liegt der gelbe Fleck, genau gegenüber der Pupille. Hier ist die Stelle des schärfsten Sehens. In diesem Zentrum sitzen nur Zapfen und jeder ist mit einer Nervenzelle verbunden. Schaltzellen sind im Modell die Plättchen Nervenzellen sind im Modell die Plättchen 2. a) Lege auf dem rosa Blatt das Modell für die Netzhaut, wie sie im Randbezirk aussieht. b)zeichne die Nervenfasern mit dem wasserlöslichen Stift ein. 3. Mache dasselbe für den gelben Fleck (gelbes Vorlagenblatt) 4. Überlege, warum am blinden Fleck keine Lichtreize aufgenommen werden können. Warum fällt der blinde Fleck beim Sehen nicht auf. 8

11 4. Literatur Bayrhuber, Horst (Hrsg.) ( ): Linder Biologie. Lehrbuch für die Oberstufe. Stuttgart: J.B. Metzler. Campbell, Neil A./ Reece, Jane B. (Hrsg.) ( ): Biologie. Heidelberg/ Berlin: Spektrum Akademischer Verlag. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (Hrsg.) (2004): Bildungsplan für die Realschule. Lehrplanheft 3/2004. Ausgabe C. Villingen-Schwenningen: Neckar-Verlag. Schulbuch für die Realschule Baden-Württemberg: Bresler, Siegfried (2005): Naturwissenschaftliches Arbeiten 3. Berlin: Cornelsen 9

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