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Körper: Auge

Äußerlich sichtbare Teile eines (braunen) menschlichen Auges; rechts
Äusserlich sichtbare Teile eines (braunen) menschlichen Auges; rechts

Das Auge (lat. Oculus) ist das Sehorgan von Mensch und Tier. Der adäquate Reiz für dieses Sinnesorgan ist beim Menschen elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 350 nm bis etwa 750 nm. Im Auge erzeugt der empfangene Reiz eine Änderung der Erregung in den ableitenden Nervenbahnen. Das Auge steht am Anfang der Sehbahn, die im Gehirn diese Erregungsänderung zum visuellen Cortex weiterleitet. Dort und in anderen übergeordneten Zentren werden die vom Auge stammenden Erregungsmuster schliesslich zur Empfindung von Licht und Farbe verarbeitet.

Für den Menschen ist der Lichtsinn von sehr grosser Bedeutung. Er ist der Leitsinn, der visuell ausgerichteten Lebewesen eine sichere Orientierung ermöglicht.

Augen sind empfindliche Sinnesorgane. Umgeben von Nasen-, Joch-, Tränen- und Stirnbein liegen sie geschützt, eingebettet in ein Fettpolster, in den knöchernen Augenhöhlen (Orbita) des Schädels. Fliegt Staub oder etwas ähnliches in die Wimpern, so wird das Augenlid durch den Augenlidreflex geschlossen und schützt vor Schmutzteilchen. Gelangt dennoch etwas hinein, so wird es mit der Tränenflüssigkeit hinausgeschwemmt.

Augen der Säugetiere

Der menschliche Tränenapparat
Der menschliche Tränenapparat

Das Sehorgan (Organon visus) der Säugetiere und damit auch des Menschen kann in drei Untereinheiten gegliedert werden:

  1. den Augapfel, Bulbus oculi (lat.) oder Ophthalmos (griech.),
  2. die Anhangsorgane des Auges (Tränenapparat, Augenmuskeln, Bindehaut und Augenlider) und
  3. die Sehbahn.

Augapfel der Säugetiere

Aufbau des Säugetierauges; Schnittbild, von oben betrachetetes linke Auge
Aufbau des Säugetierauges; Schnittbild, von oben betrachetetes linke Auge

In der Wand des Augapfels unterscheidet man drei konzentrische Schichten:

Der Innenraum des Augapfels enthält den Glaskörper (Corpus vitreum), die Linse (Lens) und wird unterteilt in die beiden Augenkammern (Camera anterior und posterior bulbi).

Funktionsmechanismus der Bilderzeugung

Ins Innere gelangt das Licht durch die Hornhaut und die Pupille. Sie ist die kreisförmige Öffnung der farbigen Regenbogenhaut, der Iris. Durch die Muskelfasern in der Iris kann die Pupille vergrössert und verkleinert werden. Dieser Vorgang, der das Auge an die Umgebung anpasst, heisst Adaptation. Hinter der Iris ist die elastische Augenlinse an Bändern aufgehängt. Die Linsenbänder verlaufen zum ringförmigen Ziliarmuskel. Das Augeninnere ist von dem gallertartigen Glaskörper erfüllt. Er verleiht dem Auge die feste und runde Form, die auch Augapfel genannt wird.

Beim Menschen liegt der durch das Auge wahrnehmbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums im Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 760 nm, das sogenannte Lichtspektrum. Dagegen sehen beispielsweise Bienen auch kurzwelligeres Licht, das sogenannte ultraviolette UV-Licht, während sie dafür auf der anderen Seite kein rotes Licht wahrnehmen können. Der Sehraum im Auge der Säugetiere ist für farbiges Sehen (farbiges Licht, durch die Zapfen) sehr viel kleiner als der für Hell und Dunkel (weisses Licht, durch die Stäbchen). Somit liegt der Farbsehraum auch innerhalb des Weisslichtsehraumes.

Im 19. Jahrhundert erklärte man die Funktion des Auges analog des Fotoapparates so: Reflektiertes Licht (aktiv) fällt in das Auge (passiv), die Abbildung der Welt auf der Netzhaut wird schliesslich ins Gehirn weitergeleitet. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhundert wurde mit Hilfe technischer Geräte zur Messung der Augenbewegungen diese Idee widerlegt.

Zwar ist die ganze Netzhaut (Retina) mit Sinneszellen bedeckt, das Scharfsehen konzentriert sich jedoch beim Menschen auf nur 0,02 Prozent der Netzhautfläche, der sogenannte gelbe Fleck (Macula lutea, Makula). Dies entspricht etwa 2 Grad unseres rund 200 Grad umfassenden horizontalen Blickfeldes. Wir sehen also eigentlich nur den Ausschnitt scharf, den unsere beiden Augen mit ihren Sehachsen fixieren.

Beim Betrachten eines Gegenstandes kommt das ruhende und scharfe Bild dadurch zustande, dass die Augenmuskeln, uns meist unbewusst, nacheinander verschiedene Ausschnitte des Objektes vor den gelben Fleck rücken. Das Auge ruht also beim Betrachten nie, es ist immer in kleinster Bewegung begriffen. Ein Punkt wird für Sekundenbruchteile fixiert, dann springen die Muskeln mit einer ruckartigen Bewegung (Saccade) zu einem nächsten Punkt. Aus diesem Abtasten wird schliesslich das deutliche Gesamtbild generiert. Bei ruhiger Betrachtung dauern die einzelnen Fixationen 0,2 bis 0,6 Sekunden, so dass in einer Sekunde 2 bis 5 Saccaden stattfinden, bei schnellerem Blicken werden die Saccaden häufiger und die Fixationszeiten kürzer.

Die Wahl der Fixationspunkte und das Muster der Saccaden ist in hohem Masse individuell und steht im Zusammenhang mit den Gewohnheiten und dem Interesse des Betrachters oder der Aufgabenstellung an ihn. Man spricht heute vom Intentionalen Sehen, einem aktiven Vorgang zur Welt hin. Durch entsprechende Beobachtungsmethoden macht sich mittlerweile vor allem die Werbebranche, aber auch die Verhaltensforschung dieses Phänomen der unwillkürlichen Aktivität zu Nutze um damit ihre Werbemethoden bzw. ihre Thesen zum menschlichen Verhalten zu verbessern und zu optimieren. Auch im Zusammenhang mit der Entwicklung von Lügendetektoren sind immer wieder entsprechende Instrumente im Einsatz, meist zur Bewertung des Erregungszustands.

Erkrankungen des Auges

Mit den Erkrankungen des Auges beschäftigt sich die Augenheilkunde (Ophthalmologie). (Siehe dort für eine Liste von Augenerkrankungen.)

Häufigste Gründe für eine Sehschärfenminderung bzw. eine Erkrankung des Auges[1] sind neben der Katarakt (Grauer Star) und dem Glaukom (Grüner Star) die altersbedingte Makuladegeneration und die diabetes-bedingte Retinopathie.

Die Katarakt, d. h. die Trübung der Augenlinse, ist in der Regel erfolgreich behandelbar, weil die Augenlinse entfernt und durch eine Kunstlinse ersetzt werden kann. Weit schwerer zu heilen sind Erkrankungen mit Beteiligung der Netzhaut, weil diese weder regenerationsfähig noch ersetzbar ist.

Bei manchen Netzhauterkrankungen (z.B. bei der fortgeschrittenen Retinopathia pigmentosa) hofft man in der Zukunft eine Wiederherstellung der Sehfunktion durch ein Retina-Implantat zu erreichen.

Für die häufigsten Formen der Katarakt, des Glaukoms und der Makuladegeneration vermutet man als Ursache Altersveränderungen auf der Grundlage genetischer Veranlagungen. Vor allem für die Makuladegeneration stellt daneben das Rauchen den wesentlichen exogenen Risikofaktor dar. Man vermutet für die Katarakt und die Makuladegneration ausserdem einen schädlichen Einfluss von ultraviolettem Licht. Die diabetische Retinopathie ist Folge von Gefässveränderungen, die durch den erhöhten Blutzuckerspiegel hervorgerufen werden. Auch sie tritt bei Rauchern früher und häufiger auf als bei Nichtrauchern.

vorübergehende Beeinträchtigungen der Sehleistung

Durch Erschütterung der Kopfes beispielsweise kann es passieren, dass eine Person vorübergehend weisse Punkte in seinem Blickfeld aufflimmern sieht, die nach kurzem wieder verschwinden. Dieses Phänomen wird umgangssprachlich als „Sternchen sehen”, „Sterne sehen” oder „Flimmern” bezeichnet. Bei plötzlicher starker Beanspruchung des Körpers oder der Augen im speziellen nach einer längeren Ruhephase kann es vorkommen, dass einem „Schwarz vor Augen” wird, da die Pupillen sich erst auf die plötzliche Helligkeit einstellen müssen.

Evolution des Auges

Auge eines Straußes
Auge eines Strausses

Obwohl sich die Augen von Wirbeltieren und Weichtieren im Aufbau stark ähneln, haben sie diese sehr ähnliche Funktionsweise unabhängig voneinander entwickelt. Dies wird bei der Bildung des Auges beim Embryo sichtbar: Während sich das Auge bei Wirbeltieren durch eine Ausstülpung der Zellen entwickelt, die später das Gehirn bilden, entsteht das Auge der Weichtiere durch eine Einstülpung der äusseren Zellschicht, die später die Haut bilden.

Es gab Schätzungen, dass Augen der verschiedensten Bauweisen im Laufe der Evolution etwa 40 Mal neu entwickelt worden wären. Dennoch spielt das Pax-6-Gen sowohl bei den Tintenfischen als auch bei Säugetieren (Mäuse) eine Rolle bei der Entwicklung der Augen und bei der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) hat das hierzu homologe Gen "eyeless" fast dieselbe Funktion. Deshalb liegt nahe, dass all diese Augentypen einen gemeinsamen Ursprung haben. Es gibt noch eine Reihe weiterer Gene, die im Vertebratenauge (Wirbeltiere) einen homologen Partner haben.

Die ersten Augen gab es bereits vor 505 Mio. Jahren im Erdzeitalter Ordovizium (z. B. beim Nautilus).

Bauformen

Die einfachsten „Augen” sind lichtempfindliche Sinneszellen auf der Aussenhaut, die als passive optische Systeme funktionieren. Sie können nur erkennen, ob die Umgebung hell oder dunkel ist. Man spricht hier von Hautlichtsinn.

Insekten und andere Gliederfüsser haben Augen, die aus vielen einzelnen Augen zusammengesetzt sind. Diese Facettenaugen liefern ein rasterartiges Bild (nicht mehrfache Bilder, wie man vermuten könnte).

Neben den beschriebenen Augentypen mit lichtbrechenden Linsen findet man in der Natur gelegentlich auch Spiegelaugen. In den Augen der Kammmuschel (Pecten) wird das Bild durch Hohlspiegel erzeugt, die hinter der Netzhaut angeordnet sind. Die direkt vor der Netzhaut liegende Linse dient der optischen Korrektur des stark verzerrten Spiegelbildes. Die Spiegel sind nach dem Prinzip von reflektierenden Glasplatten gebaut. Mehr als 30 Schichten aus feinsten Guanin-Kristallen liegen dicht gestapelt, jede Schicht in eine Doppelmembran eingeschlossen. Auch andere Tiere haben Spiegelaugen, unter anderem der Tiefseekrebs Gigantocypris, Hummer und Langusten. Diese Form hat sich offenbar dort durchgesetzt, wo es weniger auf die Bildqualität und mehr auf die Lichtausbeute ankommt.

Lichtsinneszellen

Bereits der Einzeller Euglena besitzt einen Fotorezeptor zur Hell-Dunkel-Wahrnehmung. Höher entwickelte Lebewesen wie z.B. der Regenwurm besitzen am Körperende oder verstreut einzelne Lichtsinneszellen.

Flachaugen

Quallen und Seesterne besitzen viele nebeneinander liegende Lichtsinneszellen, die innen an eine Schicht aus Pigmentzellen anschliessen können. Die Konzentrierung der Sinneszellen verbessert die Hell-Dunkel-Wahrnehmung.

Pigmentbecheraugen

Die Sehzellen liegen vom Licht abgewandt (inverse Lage) in einem Becher aus lichtundurchlässigen Pigmentzellen. Das Licht kann nur durch die Öffnung des Bechers eindringen, um die Sehzellen zu stimulieren. Da daher immer nur ein kleiner Teil der Sehzellen gereizt wird, kann neben der Helligkeit auch die Einfallsrichtung des Lichts bestimmt werden. Solche Augen besitzen unter anderem Strudelwürmer und Schnecken.

Grubenaugen

Das Grubenauge unterscheidet sich vom Pigmentbecherauge durch die dem Licht zugewandte (everse) Lage der Sinneszellen und dadurch, dass die Grube mit Sekret gefüllt ist. In der Grube bilden die Sehzellen eine Zellschicht, die innen an eine Schicht von Pigmentzellen anschliesst. Es ist also eine Weiterentwicklung des Flachauges. Es ermöglicht auch die Bestimmung der Intensität und der Einfallsrichtung des Lichts.

Lochaugen

Lochaugen sind verbesserte Grubenaugen. Die Öffnung der Grube ist nur noch ein kleines Loch und der Hohlraum ist vollständig mit Sekret gefüllt. Durch die erhöhte Anzahl der Sehzellen ist nun auch Bildsehen möglich. Das Bild ist jedoch lichtschwach und nur schemenhaft. Diesen Typ findet man bei niederen Tintenfischen. Eine Abart des Lochauges ist das Blasenauge, bei dem die Öffnung von einer durchsichtigen Haut bedeckt ist (Vorkommen bei machen Schneckenarten). Das Sekret kann auch zu einer einfachen Art von Linse verfestigt sein (bei Weinbergschnecken der Fall). Diese Modifikationen verbessern das Bild geringfügig.

Linsenauge

Das Linsenauge ist die höchstentwickelte Art von Sehorganen. Ein mehrstufiger lichtbrechender Apparat sammelt das Licht und wirft es auf die Netzhaut, die nun zwei Arten von Sinneszellen enthält, Stäbchen und Zapfen. Die Einstellung auf Nah- und Fernsicht wird durch eine elastische Linse ermöglicht, die von Zonulafasern gestreckt bzw. gestaucht wird. Die besten Linsenaugen findet man bei Wirbeltieren.

So ist zum Beispiel bei Greifvögeln die Fähigkeit entwickelt Objekte in einem Bereich der Netzhaut stark vergrössert zu sehen, was insbesondere beim Kreisen in grosser Höhe beim Lauern auf Beute vorteilhaft ist.

Nachttiere wie etwa Katze oder Eule realisieren durch eine retroreflektierende Schicht hinter der Netzhaut einen Zugewinn an Sensitivität, was ihnen als Nachträuber zu Gute kommt. Siehe hierzu: Tapetum lucidum

Bei Katzen findet man weiterhin eine sogenannte Schlitzblende, die sehr extreme Unterschiede beim Öffnungsverhältnis erlaubt. Bei nachtaktiven Tieren sind die Augen erkennbar überdurchschnittlich gross im verhältnis zur Grösse des Tiers.

Facettenaugen (Komplexaugen)

Facettenaugen setzen sich aus einer Vielzahl von Einzelaugen (Ommatidien) zusammen, von denen jedes acht Sinneszellen enthält. Jedes Einzelauge sieht nur einen winzigen Ausschnitt der Umgebung, das Gesamtbild ist ein Mosaik aus allen Einzelbildern. Die Anzahl der Einzelaugen kann zwischen einigen Hundert bis hin zu einigen Zehntausend liegen. Die Auflösung des Facettenauges ist durch die Anzahl der Einzelaugen begrenzt und ist daher weit geringer als die Auflösung des Linsenauges. Allerdings kann die zeitliche Auflösung bei Facettenaugen weit höher sein als bei Linsenaugen. Sie liegt etwa bei fliegenden Insekten bei 250 Bildern pro Sekunde, was etwa dem zehnfachen des menschlichen Auges entspricht. Dies verleiht ihnen eine extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Die Farbempfindlichkeit des Facettenauges ist in den ultravioletten Bereich verschoben. Ausserdem verfügen Spezien mit Facettenaugen über das grösste Blickfeld aller bekannten Lebewesen. Zu finden sind diese Augen bei Krebsen und Insekten. Facettenaugen lassen sich in die Evolutionsgeschichte des Auges nicht einordnen!


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