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Biologie des FarbensehensPeter PeislPraeludium. Zur Biologie des Farbensehens
Farbwahrnehmung ist eine biologische Leistung: Was lohnt sich, darüber zu wissen? Ich betrachte das Thema aus verschiedenen Perspektiven. Zuerst folge ich einer Schulstufenleiter.
A. SekundarschuleIm Buch »Bau und Funktionen unseres Körpers« von Paul Walder, herausgegeben vom Lehrmittelverlag des Kantons Zürich (1979) ist zu lesen: Die Sinnesorgane stellen die Verbindung zur Umwelt her. Sie wandeln Reize in Nervensignale um.
Bild aus: Wolfgang Miram und Karl-Heinz Scharf, Biologie heute S II, Hannover: Schroedel 1998. So weit das von Sekundarschülern erwartete Verständnis. Schon ordentlich anspruchsvoll: Neue Begriffe werden verwendet: Sinnesorgane, Reize, Sinneszellen, Signale. Das Verstehen von Farbensehen erfordert analytisches Denken.
B. GymnasiumWas ist der Auslöser unserer Seh-Erlebnisse? Die Aussenwelt: Licht als elektromagnetische Strahlung
Licht nennt man den Bereich des Spektrums, den wir mit unseren Sehorganen (Auge + Gehirn) wahrnehmen können. Goethe hat als Motto seiner Farbenlehre »Taten und Leiden des Lichts« gesetzt. Vorderhand betrachten wir nur das ›Leiden‹: Sobald Licht auf Materie trifft, wird es reflektiert, gebeugt, gebrochen, absorbiert, zur Interferenz gebracht. Das heisst, es wird ihm manches angetan. Schon in der Atmosphäre wird der kurzwellige Anteil gestreut; darum ist der unbedeckte Himmel bei Tag blau. Das alles bedeutet: Wir leben in einer reich strukturierten Mischung optischer Strukturen.
Auf just den Anteil der Strahlung sind unsere Augen empfindlich, der im Sonnenlicht in maximaler Menge enthalten ist. Es ist Angepasstheit an Gegebenheiten der Natur.
Der besondere Rang des GesichtssinnsEr ist der differenzierteste Informationsvermittler und auch der distanzierteste. Der Differenzierteste: Die Informationsmenge, die er pro Zeit- und Raumeinheit aufnimmt, ist enorm. Unsere Augen unterscheiden über 100'000 Farbnuancen. Hauptsächlich darum ist unser Hirn so gross. Frage: Ist diese erstaunliche Fähigkeit biologisch, d.h. im Umgang mit unserer natürlichen Umwelt nützlich oder gar notwendig? Oder ist sie ein menschenfreundliches Geschenk der Natur, also ein uns zur Verfügung gestellter Luxus? Um uns ein Urteil zu bilden, müssen wir folgendes untersuchen:
Der Distanzierteste:
Sehen ist ein aktiver Prozess im Umgang mit der Aussenwelt.
C. Hochschule(1) FarbensystematikEs gibt unzählige Farbensysteme. Hier sei nur auf die klar durchdachte und für die technische Farbwiedergabe äusserst nützliche Theorie von Harald Küppers hingewiesen. Doch unser Gehirn arbeitet nicht so einfach. Der besonders unter Physikern verbreitete Glaubenssatz »Simplex sigillum veri« (Einfachheit ist das Kennzeichen des Wahren) mag dort und in der Mathematik Nutzen gestiftet haben. In der Biologie erweist er sich als notorisch unsicher, wenn nicht gar irreführend. Hier gilt eher der ironische Satz: »Alle Probleme haben eine einfache Lösung – und die ist mit Gewissheit falsch«. (2) Wie entstehen unsere Farberlebnisse?Wir sehen unerhört nuancenreiche Szenen. Man könnte vermuten, für jeden Farbton sei eine speziell darauf ansprechende Sinneszelle zuständig. Vor 200 Jahren hat Thomas Young (1773 – 1829) eine andere Vorstellung entwickelt, die, später von Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) ausgebaut, zum Welterfolg wurde, die 3-Rezeptoren-Theorie. Drei Rezeptortypen genügen, um die ganze Vielfalt von Farberlebnissen hervorzurufen: einer für Rot, ein zweiter für Grün, ein dritter für Blau. Zwischentöne entstehen durch Mischungen der drei Grundfarben in verschiedenen Verhältnissen. Auch die Farbfotografie verwendet nur drei Farbstoffe. Die Reduktion der Farbinformationen auf lediglich 3 Kanäle bedeutet einen meist erheblichen Informationsverlust gegenüber dem Original. Man mag das bedauern, doch diese brutale Vereinfachung kann man anderseits als eine geniale Einrichtung sehen: Sie bedeutet eine Reduktion von Komplexität. Würden wir Farbinformationen auf mehr als 3 Kanälen erheben und verarbeiten, so müssten unsere Gehirne viel grösser sein. Sie würden durch höheren Rechenaufwand langsamer arbeiten, d.h. sie könnten der primären Aufgabe des Sehapparates, nämlich das Erkennen von schnellen Veränderungen, nicht mehr genügen. (3) HarmonielehrenEs gibt eine umfangreiche Literatur über Farbenharmonien. Schon Newton glaubte im Regenbogen 7 Farbzonen zu erkennen. Er glaubte an die Einheit der Natur: In der Musik gibt es 7 Töne bis zur nächsten Oktave, also müsse es auch 7 Grundfarben geben. Die siebente, «Indigo» ist eine Variante von Blau. Ein Beispiel für Harmoniesucht.
Farbenharmonik ist seit eh’ ein Lieblingsthema von Künstlern, Ästheten, Farbenlehrern, vielleicht auch von Symbolforschern. (4) Die Helmholtz – Hering – KontroverseNach Young und v. Helmholtz gibt es drei »Grundfarben« Rot, Grün und Blau, aus denen sich sämtliche unterscheidbaren Farbtöne ermischen lassen. Farbbildschirme bestehen an jedem Bildpunkt aus drei Lichtern in den Grundfarben R, G und B. Computer codieren die Farbtöne als RGB-Koordinaten. Im Programm »Photoshop« stehen für jeden Farbkanal 256 Stufen zur Verfügung; das gibt 256^3 = über 16,7 Millionen unterscheidbare Nuancen. Ewald Hering (1834 –1918) liess sich davon nicht überzeugen und postulierte 1872 seine Gegenfarben-Theorie. Er unterscheidet vier bunte Primärfarben, nämlich Rot, Gelb (Y), Grün und Blauviolett. Je zwei davon sind Antagonisten: Gelb – Blau, Grün – Rot Man bezeichnet, die Partner dieser Paare als zu einander komplementär; sie ergänzen sich additiv zu weiss. Es gibt keine Übergänge von Blau zu Gelb und von Cyan zu Rot. Als weiteres Argument nannte Hering die Tatsache, dass Farbenblindheit nie einen einzelnen Farbton betraf, sondern immer jeweils beide Antagonisten eines Paares: Rot und Grün bzw. Gelb und Blau. Wie ging der jahrzehntelang geführte, oft heftige Streit zu Ende? In beiderseitiger Enttäuschung. Schade, denn die Lösung hätte in Griffnähe gelegen: Beide hatten Recht! Auf der Rezeptoren-Ebene Young-Helmholtz. In der Netzhaut sind jedoch die Neuronen-Verbindungen so geschaltet, dass die primären Nervenimpulse gegeneinander im Sinne von Hering verrechnet werden. Ins Gehirn gelangt die Information in Hering’scher Notation. (Das ist nicht ein Friedensschluss aus Ermüdung der Kämpfer, sondern bestens erwiesen.)
(5) PsychologieFrüher hat man angenommen, die bewusst erlebten Farbtöne seien aus den Erregungen der drei Zapfentypen eindeutig bestimmt. Doch die Meinung, die Welt sei so, wie wir sie bildhaft erleben, erweist sich als naiv. Unser Hirn ist raffinierter als wir annehmen. Es arbeitet für einen Herrn, dem es weniger auf Wahrheit ankommt als auf Erfolg. Unser Bewusstsein akzeptiert nur Siegesmeldungen. Dazu seien ein paar einschlägige Effekte vorgestellt: (a) Sukzedaner Farbkontrast (Nachbild-Effekte)Er tritt als Folge von Ermüdung von Rezeptoren auf: Bei Dauerbelichtung werden die lichtempfindlichen Sehpurpur-Farbstoffe (Opsine) ausgebleicht. Wendet man sich dann vom betrachteten Objekt ab, so erscheint es für kurze Zeit als Nachbild in schwach komplementärer Tönung. (b) Simultane Farbkontraste, Nachbarschaftseffekte
(c) Farbige Schatten
Otto v.Guericke hatte sie 1672 beschrieben, später auch Goethe.
(d) Kontextualität:Braun und Oliv fehlen im Regenbogen. Als dritte Dimension in seinem Farbensystem nannte Hering die unbunten Töne Weiss und Schwarz, die in Gemischen die Grau-Werte ergeben. »Es war ein Geniestreich, Weiss und Schwarz in die Reihe der Primärfarben aufzunehmen. Indem Hering Licht und Schatten in die Diskussion einschloss, konnte er erklären, warum wir Erdfarben (braun und oliv) sehen. Das Auge liefert keine absoluten Werte für Helligkeit der Dinge in einer bestimmten Szene. Absolute Lichtwerte sind fast bedeutungslos.« (Ings) (e) Konstanzphänomene: Das lernfähige Sehzentrum
(f) Farbton-Assimilation
(g) Konturverstärkung
(h) Das LAND-Phänomen und die Retinex-Theorie von Edwin H. Land (1909 – 1991)Land erforschte systematisch die von den Nachbarschaften hervorgerufenen Farbeffekte und formulierte mit mathematischen Mitteln eine allgemeine Theorie des Farbensehens. »Jede Farbe wird in Beziehung zu jeder anderen wahrgenommen. … Die Farben erhalten dadurch eine bemerkenswerte Beständigkeit« (Ings). Die Resultate seiner auf Kontextualitäten beruhenden Experimente sind phantastisch: So konnte er »unter Verwendung zweier gelber Lichter, deren Wellenlängen nur 20 Nanometer auseinander lagen, Vollfarbenbilder erzeugen«. (Ings) (6) Farbempfindungen ohne LichteinwirkungFarberlebnisse können aus Erregungszuständen des Gehirns resultieren ohne aktuelle Beteiligung der Augen: (a) Bunte Träume. Kürzlich sah ich im Traum eine Neon-Leuchtschrift, in ihrem typischen Rot. Das zeigt, was wir längst wissen, dass das Gedächtnis an unseren Erlebnissen Anteil hat. Verweis auf die Konstanz-Phänomene. (b) Halluzinationen (c) Phosphene: Man sieht Lichterscheinungen bei geschlossenen Augen. Sie können von der Netzhaut ausgehen, bei mechanischer Einwirkung oder Überlastung. Ausgelöst werden können sie auch durch Magnetfelder oder hirnintern bei Migräne (Flimmer-Skotom). (d) Synästhesie. Die betrofffenen Personen sehen z.B. Ziffern oder hören Töne verbunden mit einem je eigenen Farbeindruck. Ein mir befreundeter Synästhetiker (Arzt, Forscher, Dr. Felix Angst), von dem ich Näheres über seine Farben-Erlebnisse beim Erblicken von Zahlen erfahren wollte, antwortete mir schriftlich auf meine Fragen folgendes:
Diese Erlebnisse treten bei voll wachem Zustand auf. Vermutlich sind diese Fähigkeiten erlernt, d.h. sie stellen Fälle von Konditionierung dar. Anmerkung: ›Echte‹ und computermanipulierte Bilder:Ich habe drei Freunde – Biologen, hervorragende Naturbeobachter – gedrängt, ihre Fotos auf dem Computer nachzubearbeiten. Doch sie mögen nicht; sie sträuben sich dagegen, zu ›lügen‹. Wenn ich daran denke, wie sehr unsere Gehirne alles bedenkenlos ›fälschen‹, was ihnen die Netzhaut an Informationen liefert, wie sie für sie Relevantes hervorheben und Bedeutungsloses ignorieren, so meine ich, meine Freunde sollten ihre Bedenken zurückstellen und punkto Bild-Nachbearbeitung bei ihrem eigenen Hirn in die Lehre gehen. Dieses manipuliert die von der Netzhaut eingehenden Informationen schamlos. (7) Warum gibt es so viele verschiedene Farbenlehren?(a) Gewiss, weil Farberlebnisse so schön und anregend sind. (b) Ebenso, weil es viele Berufsästheten (Professoren, Kunstmaler, Lehrer, Gestalter etc.) gibt, die es als Ehrensache ansehen, ein eigenes System als das einzig wahre, erkannt zu haben und darüber zu dozieren. (Goethe als Beispiel). (c) Der Hauptgrund liegt wohl darin, dass sich unser Bewusstsein nicht in ein allgemein verbindliches logisches Schema pressen lässt und opportunistisch und gedächtnisgesteuert arbeitet. Unser komplexes Hirn ist daran schuld, dass es keine allgemein anerkannte und verbindliche Farbentheorie gibt. Farbensehen beruht auf komplexer Systemlogik.
D. Neurologische Forschung
(1) Die drei sehr ungleichen Zapfensorten und ihre Zuordnung zu Farbempfindungen(a) Nur etwa 2% der Zapfen sind blau-empfindlich. (b) Rot-Erlebnisse sind nicht kongruent mit Empfindlichkeit der Rot-Zapfen. Rotempfindung ist sehr verstärkt. Rot hat auf uns (sofern wir intakte Rotrezeptoren haben), die grösste Farbigkeitswirkung, wie das folgende Bild zeigt.
(c) Grün-Vielfalt: Theorie: Rolle des Rot als Modulator von Grün-Nuancen. Koloristische Dehnung des Grünbereichs – Originalbild des Verfasser. (2) Die Dynamik des SehprozessesDer Sehapparat ist von schneller Dynamik. Farberlebnisse werden zu Unrecht als etwas Statisches, Bleibendes, beschrieben. Doch jeder Farbeindruck wird innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde gelöscht und an anderer Netzhautstelle wieder neu erzeugt. Nur so ist es uns möglich, Veränderungen zu erkennen. Mikrosakkaden mehrmals pro Sekunde, dazu Drift (langsames Abgleiten des Bildes) und Tremor (± 50 Hz) zur Feinkorrektur. »Augen sind dazu da, Bewegung zu entdecken. Jedes Bild, das auf der Netzhaut vollkommen stabilisiert wird, verschwindet. Unsere Augen können keine stationären Objekte wahrnehmen und müssen deshalb ständig zucken, um sie zu sehen.« (Ings S. 65) Erst sekundär entstand unsere Fähigkeit, ruhende Bilder wahrzunehmen. Gerhard Roth schreibt über den »grossen Aufwand, den unser Gehirn treiben muss, um eine stabile visuelle Umwelt zu konstruieren«. (3) Phylogenese des FarbensehensDarüber liegt ein grosses Gut an Forschungsresultaten mit verschiedensten Wirbeltieren vor. Das 9. Kapitel »Unsichtbare Farben« im Buch von Simon Ings (Seiten 314 – 337) gibt hervorragende Einblicke in Evolutionsprozesse, nicht einfach, aber äusserst lohnend zu lesen. Daraus das folgende Zitat:
Nichts in der Biologie macht Sinn ausser im Licht der Evolution (Dobzhansky).
E. PhilosophieWie objektiv sind unsere Farberlebnisse? Wie adaequat der Naturwirklichkeit? Wie verlässlich? Das Studium unseres Sehapparates lässt uns zweifeln: Gerhard Roth urteilt, bei unseren visuellen Erlebnissen handle es sich »um Konstrukte, die keine direkte Abbilder der Welt sind«. Alles was wir als Sinneserlebnisse erfahren, sei »Produkt von Berechnungen in neuronalen Netzwerken«. Zwischen dem gemessenen Reiz und unseren Wahrnehmungsinhalten herrsche »keine anschauliche Ähnlichkeit«. Radikale Konstruktivisten (Solipsisten) gehen noch einen Schritt weiter und meinen, das subjektive Ich mit seinem Bewusstseinsinhalt sei das einzige Seiende. »Für die idealistischen Philosophen gibt es nämlich gar kein ›aussen‹…» (G. Roth, S. 203/4). Ich bin kein Philosoph und nehme auf eigene Rechnung und Gefahr an, dass es die Aussenwelt gibt und es sie schon lange vor meiner Geburt gegeben hat, und dass unser Bewusstsein dieser Wirklichkeit nicht allzu fremd sein darf, sonst hätten wir nicht überlebt. Dafür spricht auch, … dass das Zusammenspiel von ›Welt‹ und ›Geist‹ funktioniert, nicht immer perfekt zwar, aber doch leidlich; … dass Anpassung stattfindet; … dass Neues assimiliert wird, mit anderen Worten, dass Veränderungen stattfinden und … dass Kommunikation stattfindet. Wenn Konstruktivisten daran zweifeln, so nehme ich das gelassen, haben sie doch die Erfahrung der Biosphäre von Jahrmilliarden gegen sich.
Meine wichtigsten Quellen:
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