Das menschliche Auge – Aufbau und Funktion (fachübergreifend im MINT-Unterricht)

Das menschliche Auge wird aus der Augenflüssigkeit, Pupille, Hornhaut, Iris, Linse, Glaskörper und Netzhaut bzw. Sehnerv aufgebaut. Dabei tritt das Licht, dass von einem Gegenstand reflektiert wird, ins Auge durch die Hornhaut und die Augenflüssigkeit. Danach durchschreitet das Licht die Linse und den Glaskörper. Diese vier Augenbestandteile „Hornhaut, Augenflüssigkeit, Linse und Glaskörper“ wirken wie eine gemeinsame Linse.Diese „Linse“ bündelt die einfallende Lichtstrahlen und projiziert auf etwa 2 bis 2,3 cm von der Hornhaut entfernt die Abbildung des Gegenstands auf der Netzhaut. Auf der Netzhaut entsteht dabei das optische Bild des Gegenstandes.

Die Netzhaut verfügt über eine Vielzahl von lichtempfindlicher Rezeptoren, diese „verarbeiten“ die Reize und leiten diese Informationen über den Sehnerv bis zum Gehirn. Im menschlichen Auge werden also Linsenbilder auf der Netzhaut erzeugt. Daher ist das menschliche Auge nicht wie eine sogenannte Lochkamera aufgebaut, sondern auf der Bildung von Linsenbilder, dass ähnlich wie ein Fotoapparat funktioniert.

Da die Entstehung von Linsenbildern auch lichtabhängig ist, wird die eintretende Menge an Licht durch die menschliche Iris gesteuert. Diese Iris ist Teil der Pupille (einer kreisrunden Öffnung im Auge), die mit Hilfe eines Muskels verkleinert werden kann. Daher kann das Auge mit Hilfe der Pupille bzw. Iris die verschiedenen Helligkeiten in der Umgebung ausgleichen.

Der Sehvorgang beim menschlichen Auge

Halten wir die Hand vor einen (weiter entfernten) Baum und betrachten die Hand, so beobachten wir, dass die Hand „scharf“ erscheint, während wir den Baum unscharf sehen. Betrachten wir nun den Baum im Hintergrund, so erscheint dieser scharf und die Hand im Vordergrund unscharf.

Was bedeutet diese Beobachtung?

Aus diesem Experiment erschließen wir, dass das Auge nicht gleichzeitig nahe und ferne Gegenstände „scharf“ auf die Netzhaut projizieren kann. Dies entspricht auch unseren Erfahrungen im Physik-Unterricht. Wenn wir einen Gegenstand näher an eine Linse halten, muss der Abstand zwischen Linse und Schirm (auf dem das optische Bild abgebildet werden soll) vergrößert werden.

Im menschlichen Auge ist dabei die Linse und die Netzhaut fest im Sehorgan „verbaut“, eine Verschiebung von Linse oder Netzhaut im menschlichen Auge ist nicht möglich. Wie kann das menschliche Auge also nahe bzw. weit entfernte Gegenstände scharf darstellen, ohne den Abstand zwischen Linse und „Netzhaut“ zu ändern.

Auch hier (in der Biologie) helfen uns physikalische Grundlagen. So kann man einen Gegenstand nicht nur scharf abbilden, indem man den Abstand zwischen Linse und „Schirm“ ändern, sondern man kann auch die Brennweite der Linse ändern. Beispiel: Wir projizieren einen weit entfernten Gegenstand scharf auf einen Schirm. Verkürzen wir nun den Abstand des Gegenstandes zur Linse, erscheint das optische Bild des Gegenstandes nicht mehr scharf auf dem Schirm. Anstelle den Abstand zwischen Linse und Schirm zu ändern, können wir auch die Brennweite der Linse ändern. Nehmen wir eine Linse mit (passender) kleinerer Brennweite wir der Gegenstand, der an die Linse angenähert wurde, wieder scharf dargestellt (so einfach kann Optik sein).

Dieses Prinzip der Änderung der Brennweite der Linse erfolgt auch beim menschlichen Auge. Dabei ist die menschliche Linse elastisch und kann mit Hilfe von Muskeln verändert werden, so dass sich die Brennweite der Linse ändert. Daher kann das menschliche Auge Gegenstände ab eine Entfernung von knapp 30 cm scharf auf der Netzhaut abbilden.

Bei diesem Muskel handelt es sich um den sogenannten Ziliarmuskel. Ist der Ziliarmuskel entspannt, so sind die sogenannten Linsenbänder straff. Die Augenlinse ist in diesem Fall nur wenig gewölbt und hat daher eine große Brennweite (das Auge sieht weit entfernte Gegenstände scharf). Ist der Ziliarmuskel angespannt, sind die Linsenbänder locker, die Linse wölbt sich daher, wodurch die Brennweite der Linse kleiner wird (das Auge sieht nun nahe Gegenstände scharf).

Die „Korrektur“ von Augenfehlern

Nicht jedes Auge „funktioniert“ so wie oben beschrieben, so gibt es Menschen mit sogenannten Augenfehlern (z.B. Netzhaut ist zu weit von der Hornhaut entfernt). Diese Augenfehler können mit einer Brille oder Kontaktlinsen korrigiert werden. Die beiden häufigsten Augenfehler sind die Kurzsichtigkeit und die sogenannte Übersichtigkeit (manchmal auch als Weitsichtig bezeichnet, der Begriff hat aber eine Doppelbedeutung).

Bei einer Kurzsichtigkeit ist der Abstand zwischen Hornhaut und Netzhaut zu groß. In diesem Fall können nahe Gegenstände noch scharf gesehen werden, weiter entfernte Gegenstände können aber nicht mehr ausreichend scharf dargestellt werden. Aufgrund der größeren Entfernung (als bei einem normalen Auge) bündelt die Augenlinse die Bilder nicht auf der Netzhaut, sondern etwas davor. Daher sehen Personen mit Kurzsichtigkeit weiter entfernte Gegenstände unscharf.
Dieser Augenfehler kann aber mit einer Brille korrigiert werden. In dem Fall der Kurzsichtigkeit muss die Brennweite der Augenlinse verlängert werden, damit die Bilder scharf auf der Netzhaut gebündelt werden können. Daher muss man eine sogenannte Zerstreuungslinse verwenden (eine Sammellinse würde den Lichtstrahl noch weiter bündeln). Diese Zerstreuungslinse ist so aufgebaut, dass sie das Licht nicht bündelt, sondern aufweitet. Dieses aufgeweitete Licht wird anschließend durch die Augenlinse gebündelt und auf die Netzhaut projiziert. Durch die Aufweitung des Lichtbündels (und der Anschließenden Bündelung) erscheint das optische Bild eines weit entfernten Gegenstands nun scharf auf der Netzhaut. Durch eine Zerstreuungslinse vor der Netzhaut wurde daher die gesamte „Brennweite“ (aus Zerstreuungslinse und Augenlinse) vergrößert.

Bei einer Übersichtigkeit hingegen ist der Abstand zwischen Hornhaut und Netzhaut zu klein. Dadurch, dass die Brennweite zu groß ist, entsteht das optische Bild von Gegenständen erst (scharf) hinter der Netzhaut. Bei dieser Art von Augenfehler muss die Brennweite der Augenlinse also verkleinert werden. Dies erreicht man indem man vor der Augenlinse noch eine Sammellinse positioniert. Diese Sammellinse bündelt das Licht bereits vor der Augenlinse und sorgt dafür, dass die Sammellinse und die Augenlinse zusammen eine kleinere Brennweite haben, als nur die Augenlinse.