Unsere Sonne schickt ja Licht mit unterschiedlichen Frequenzen zur Erde. Trägt man die Intensität des Lichts gegen die Wellenlänge auf, dann sieht man, dass das Maximum bei einer Lichtwellenlänge von etwa 500 Nanometern (also ein 2000tel Millimeter) liegt. Ziemlich genau in diesem Bereich liegt auch die maximale Empfindlichkeit unserer Augen. Es liegt also nahe, anzunehmen, dass diese beiden Dinge etwas miteinander zu tun haben – unsere Augen haben sich ja im Laufe der Evolution angepasst. Leider entspricht diese – weit verbreitete – Idee nicht der Wahrheit.

Bevor ich erkläre, warum das so ist, muss ich erst mal ein Geständnis loswerden: Bis vor kurzem stand das auch in einem meiner Vorlesungsskripte genau so wie oben erzählt. Klingt ja auch plausibel, warum sollte man es also nicht für korrekt halten?

Bevor ich erkläre, wo das Problem steckt, hier erst einmal ein Bild des Sonnenspektrums (Bild von Robert A. Rohde, aus Wikipedia):

Solar_Spectrum

In gelb seht ihr das Spektrum der Sonne an der Oberkante der Atmosphäre, in rot das, was unten ankommt. Die einzelnen markierten Moleküle sind die, die in der Atmosphäre einiges vom Licht absorbieren. Die blaue Linie gibt schließlich das theoretische Strahlungsspektrum eines idealen Körpers an, der eine Temperatur von 5250°C hat. Die Detail sind für uns aber gar nicht so wichtig, wichtig ist, dass ihr erst einmal seht, dass es ein klares Maximum bei etwa 500 Nanometern (1Nanometer=1 Millardstel Meter) gibt. Für das was kommt, können wir  die Feinheiten der Absorption erst einmal ignorieren.

Ebenfalls eingezeichnet ist der Bereich des sichtbaren Lichts.

Hier als nächstes ein Bild der Lichtempfindlichkeit unserer Augen:

Cone-response

Eingezeichnet ist die Empfindlichkeit der Augen für die drei Grundfarben sowie die Lichtempfindlichkeit der Stäbchen, die für’s Sehen bei wenig Licht zuständig sind. (Wenn ihr mehr über unser Farbsehen wissen wollt, klickt hier.) Auch hier sind die Details nicht so wichtig, aber dass insbesondere die Stäbchen ihr Empfindlichkeitsmaximum ziemlich genau in dem Bereich habe, wo auch das Maximum des Sonnenspektrums oben liegt, ist hoffentlich gut zu erkennen.

Wo also steckt das Problem? Dazu muss man sich angucken, was die Kurve des Sonnenspektrums, die ich oben gezeigt habe, eigentlich genau bedeutet. Dargestellt ist ja die Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge. Die Einheit für die Intensität ist Watt pro Quadratmeter pro Nanometer. Watt ist die Einheit der Leistung (also der Energie pro Zeiteinheit), und die wird auf einen Quadratmeter normiert, weil – na klar –  auf eine größere Fläche auch mehr Sonnenlicht fällt. (Deswegen kann man mit einer Lupe ja auch kokeln: Man sammelt das Licht, das auf einen großen Bereich fällt und fokussiert es auf einen kleinen Punkt.)

Und warum wird die Strahlungsleistung in Watt pro Quadratmeter noch einmal durch einen Wert in Nanometern geteilt? Nun, wir wollen ja wissen, wieviel Licht bei einer bestimmten Wellenlänge ausgesandt wird. Die Wellenlänge ist aber eine reelle Zahl; man kann sie prinzipiell mit sehr hoher Genauigkeit angeben. Es ergibt nicht so schrecklich viel Sinn, sich zu fragen, wieviel Licht bei einer Wellenlänge von 502,65387245617 Nanometern ausgesandt wird. Also muss man die Lichtleistung irgendwie passend normieren. In der Grafik ist entsprechend angeguckt, wie groß die Strahlungsleistung pro Nanometer ist – ihr könnt euch also vorstellen, dass man erst alles Licht misst, das eine Wellenlänge zwischen 500 und 501nm hat, dann alles zwischen 501 und 502 usw.  Ganz ähnlich würde man es auch machen, wenn man zum Beispiel die Körpergröße von Menschen statistisch angibt – dann könnte man sagen, in Deutschland leben (rein geraten) 1,34 Millionen Menschen mit einer Größe zwischen 172 und 173cm, 1,41Millionen mit einer Größe zwischen 173 und 174cm und so weiter.

Ist daran irgendetwas auszusetzen? Erst einmal nicht, könnte man meinen. Doch Licht hat ja nicht nur eine Wellenlänge, sondern auch eine Frequenz – die Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Diese beiden hängen miteinander zusammen: Das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz ergibt gerade die Lichtgeschwindigkeit. Große Wellenlängen heißen also niedrige Frequenzen und umgekehrt. Wenn wir Licht mit einer Wellenlänge von 500 Nanometern ansehen, dann hat es eine Frequenz von 6 1014 Hertz (also Schwingungen pro Sekunde). Unser Wellenlängenintervall von 500 bis 501 Nanometer überstreicht dann den Frequenzbereich von 5,98 1014 Hertz (entsprechend 501 Nanometer) bis 6 1014 (entsprechend 500 Nanometer), also eine Breite von 2 1012 Hertz.
Schauen wir dagegen bei einer Wellenlänge von 800 Nanometern, dann entspricht dem Intervall von 800-801 Nanometern eine Frequenz zwischen 3,745 1014 und 3,75 1014 Hertz, hat also nur eine Breite von 5 1011 Hertz; es ist also deutlich kleiner geworden. (Wer’s mathematisch mag: Aus c=νλ folgt dν= -c dλ/λ².)

Wenn man also die Intensität des Lichts nicht auf die Wellenlänge, sondern auf die Frequenz normiert (zum Beispiel auf Intervalle mit einer Breite von 1014 Hertz), dann umfassen sie bei großen Wellenlängen einen größeren Bereich und enthalten somit mehr Licht. Diese beiden Grafiken (aus dem paper von Soffer und Lynch) zeigen das sehr deutlich. Hier erstmal das Standard-Bild:

solarspectrum1

Unten seht ihr die Skala für die Wellenlänge, so wie vorher, oben die für die Frequenz, an der schon deutlich wird, wie sich die Intervalle verschieben. Gleiche Wellenlängenintervalle sind offensichtlich nicht gleiche Frequenzintervalle. Unten im Bild ist nochmal die Effizienz unseres Auges aufgetragen und man sieht sehr schön, wie die Maxima nahezu perfekt zusammenpassen.

Schaut man sich dagegen den gleichen Plot für die Frequenz an, dann sieht das Bild so aus:

solarspectrum2

Und hier sieht man jetzt, dass in dieser Auftragung die beiden Maxima gar nicht mehr zusammenpassen – das Maximum des Sonnenspektrums liegt jetzt in einem Bereich, den wir nicht mehr wahrnehmen können (nämlich im Infraroten.)

Und welches Bild ist nun “richtig”? Letztlich sind beide gleich gut und gleich richtig – wir können die Intensität auf die Wellenlänge oder die Frequenz normieren (oder auf jede andere Variable, auch das Quadrat der Wellenlänge oder der Logarithmus wäre in Ordnung). Bei Dichteverteilungen gibt es immer unterschiedliche Möglichkeiten der Normierung, ob eine davon besser ist als eine andere, hängt von der Fragestellung ab. Für unseren konkreten Fall des Sonnenspektrums gibt es letztlich keine Darstellung, die besonders ausgezeichnet oder “besser” ist.

“Moment”, sagt jetzt vielleicht jemand, ” wie ist es denn mit der Empfindlichkeit unseres Auges? Müssten wir die nicht auch entsprechend umrechnen, so dass sich das Maximum auch verschiebt?” Nein, das müssen wir nicht. Man kann es schon daran sehen, dass wir offensichtlich nicht durch eine bloße Umrechnung infrarotes Licht wahrnehmen können. Wenn wir Licht detektieren, dann spielt es keine große Rolle, ob das Licht eine Wellenlänge von 500Nanometer oder 500.001 Nanometer hat – wir fragen uns einfach, wieviel Licht wir wahrnehmen (wie stark also die Reizung unserer Netzhaut ist), wenn eine bestimmte Energiemenge bei einer Wellenlänge von 500Nanometer einfällt – solange das einfallende Licht in hinreichend guter Näherung deine einzige Wellenlänge hat, spielt die genaue Breite des Wellenlängenintervalls keine Rolle, es kommt nur auf die Energiemenge an.

Ist unser Auge denn nun optimiert? Nicht besonders, muss man fairerweise zugeben. Insekten und Vögel können beispielsweise Bereiche des Spektrums sehen, die uns nicht zugänglich sind; das allein zeigt schon, dass es mit der Optimierung so weit nicht her sein kann. Licht mit Wellenlängen von weniger als etwa 320 Nanometer kommt auf der Erdoberfläche nahezu nicht an (wie ihr im obersten Bild sehen könnt) – da liegt also eine natürliche Untergrenze für das sichtbare Licht. Umgekehrt gibt es auch eine Obergrenze: Wäre unser Auge empfindlich für Licht mit Wellenlängen von mehr als 1400 Nanometern, dann würden wir auch dann etwas sehen, wenn wir die Augen zumachen, denn dann würde die Wärme innerhalb unseres Körpers ausreichen, die Sehzellen anzuregen.

Das verfügbare Spektrum hat also eine Breite zwischen 320 und 1400 nanometern. Davon sehen wir nur einen vergleichsweise kleinen Teil, der etwa 20 % der gesamten Strahlungsleistung ausmacht. Besonders optimal erscheint das nicht. Sollte die Evolution nicht besseres leisten?

Eine mögliche Antwort darauf (aus dem paper von Soffer und Lynch) ist die Absorption von Wasser. Das Sehen hat sich ja im Wasser entwickelt und entsprechend sollte man erwarten, dass das Auge vor allem in den Bereichen empfindlich ist, die nicht durch Wasser absorbiert werden können. Das Absorptionsspektrum von Wasser und die Empfindlichkeit unserer Augen passen einigermaßen gut zusammen. Ich halte diese Erklärung aber für etwas fragwürdig – immerhin hat sich die Empfindlichkeit der Augen (zumindest bei den Stäbchen) im Laufe der Evolution verschoben und andere Tiere haben andere Empfindlichkeitsbereiche; einige Frösche beispielsweise können bis in den Bereich von 330 Nanometern hinein sehen. Da Frösche genau wie wir von (denselben) Wassertieren abstammen, stellt sich die Frage, warum die Frösche diese Bereiche sehen können und wir nicht.

Eine mögliche Antwort, die mir dazu einfällt, ist die, dass wir uns ja aus Nachttieren entwickelt haben. Schaut man sich das Spektrum des Mondlichts an, das man auf dieser Seite findet, dann sieht man, dass Mondlicht weniger blaue und ultraviolette Anteile hat als Sonnenlicht. Dass wir in diesem Bereich nicht so gut sehen, könnte also daran liegen, dass wir uns mehr an das Licht bei nacht angepasst haben. (Achtung, diese Spekulation ist auf meinen eigenen Mist gewachsen und nicht irgendwie abgesichert.)

Ein anderes Problem, das die möglichen wahrnehmbaren Wellenlängen einschränken könnte, sind die Moleküle, die zur Lichtwahrnehmung zur Verfügung stehen. Je größer die Lichtwellenlänge, desto kleiner ist die Energie der Photonen, und das bedeutet auch, dass die Moleküle, die das Licht absorbieren sollen, immer größer werden müssen (das liegt an den Energieniveaus der Elektronen in den Molekülen, die bei langen Molekülen dichter zusammenrücken). Solche langen Moleküle tendieren dazu, instabil zu werden, so dass es vielleicht mit größerem Aufwand verbunden ist, sie im Körper herzustellen. (Diese Spekulation wiederum stammt direkt aus dem paper von Soffer und Lynch.)

Ob das Auge also in irgendeiner Weise für das Sonnenspektrum oder das Licht auf der Erde optimiert ist, ist nicht so klar (obwohl es natürlich daran angepasst ist, das ist keine Frage (ich sehe schon, wie dieser Text von irgendwelchen Kreationisten missbraucht wird – auch wenn die sich dann natürlich fragen lassen müssen, warum denn Gott – Verzeihung, der “intelligente Designer” – das Auge nicht optimiert hat)). Wie so oft zeigt sich, dass eine scheinbar einfache und überzeugende Idee am Ende leider doch nicht stimmt.

PS: Durch ein kleines Versehen (falschen Knopf geklickt) war kurzfristig ein Entwurf des textes freigeschaltet – alle die das verwirrt hat, bitte ich um Entschuldigung.

                    

Some paradoxes, errors, and resolutions concerning the spectral optimization of human vision

B. H. Soffer, D.K. Lynch,

Am. J. Phys. 67  (11), November 1999

 

A better presentation of Planck’s radiation law
Jonathan M. Marr and Francis P. Wilkin

http://arxiv.org/abs/1109.3822v3

Kommentare (45)

  1. #1 rolak
    16. Juni 2013

    Eben wurde mir der Tipp serviert – und ich muß sagen: Den Anfang kenne ich schon :p Die Hoffnung auf den Start der iwo mal erwähnten Sammlungsveröffentlichung aus dem Kindergeschichten-Fundus hat sich zwar nicht erfüllt, doch der Anfang läßt Interessantes erahnen.

    Aber jetzt gehe ich erst mal einen guten Freund aus alten Tagen besuchen: Den Briefkasten. Danach habe ich mehr innere Ruhe.

  2. #2 Niels
    16. Juni 2013

    Interessant. An dieses Märchen hab ich ebenfalls geglaubt.

    Noch ein kleiner nitpick zum Abschluss: 😉
    500 Nanometer sind nur ein 2000tel Millimeter.

  3. #3 Skolo
    16. Juni 2013

    Evolution führt auch nicht zum Optimum, sondern nur in die Nähe eines Optimums. Der Ansatz muss dann auch noch im Genpool vorhanden sein. Und bringt eine Verbesserung keine nennenswerten Vorteile mehr wird das entsprechend variierte Gen zwar nicht aussortiert, setzt sich aber nicht mehr von alleine durch.
    Das Wirbeltierauge ist sowieso komisch “konstruiert”, da unsere Rezeptoren vom Licht wegzeigen. Das Licht muss zu den Rezeptoren zurück reflektiert werden.

  4. #4 RainerM
    16. Juni 2013

    Kennst du Sean B. Carrolls “Die Darwin-DNA”? Nicht vom doofen Titel täuschen lassen, das Buch ist uneingeschränkt empfehlenswert. Es enthält drei aufeinanderfolgende Kapitel zur Evolution des Farbensehens bei Wirbeltieren, mit einem Schwerpunkt auf Primaten.

    Alle Altweltaffen sind trichromatisch, die meisten Neuweltaffen und Halbaffen dichromatisch. Carroll schreibt auch irgendwas von nachtaktiven Vorfahren. Das trichromatische Sehen entstand dann wohl neu zur besseren Unterscheidung von verschiedenen Grün- (Blätter) und Rottönen (Früchte, Blätter mit unterschiedlichem Nährstoffgehalt und Alter).

    Da steht noch viel mehr drin, aber dann müsste ich erst das Buch noch mal lesen.

  5. #5 tp1024
    16. Juni 2013

    Dem Auge, genauso wie einer CCD Kamera, ist es eigentlich egal wieviel Energie auf die Sehzellen fällt, sondern nur wieviele Photonen. Wenn also 1000 Photonen mit 500nm auf das Auge treffen werden die das gleiche Signal liefern wie 1000 Photonen mit 495nm, die aber mehr Energie haben. Die zusätzliche Energie wird dann nur in mehr Wärme umgewandelt, ohne mehr Information zu liefern.

  6. #6 rolak
    16. Juni 2013

    500-2000

    Eindeutig, Nielsdie überschüssige Null fiel sofort auf, auch wenn mir die säurige Kombination 50-20.000 geläufiger ist.

    btt: Wahrlich erschütternd, wie schnell nie so richtig hinterfragtes Denken zerbröselt werden kann. Gut verdeutlicht.
    Allerdings ist ‘Märchen’ imho nicht der richtige Begriff, da die Irrealität des Märchens dem Erzähler bekannt ist. ‘Irrglaube’ wäre wohl angemessener – auch wenn dies das Risiko einer crank-Invasion noch erhöhen dürfte.

    alle die das verwirrt hat, bitte ich um Entschuldigung

    Mir ist zwar nicht klar, wie es anderen ergangen ist, doch für mich sind solch unverständliche Abläufe in ansonsten gewohnter Umgebung ungemein spannend, es war darüber hinaus auch noch amüsant unterhaltend. Nee nee, andersherum wird ein Schuh draus, auch wenn es Deinerseits unabsichtlich war: Schönen Dank für die gelungene Bespaßung!

  7. #7 Simon P.
    16. Juni 2013

    tp1024:

    Dem Auge, genauso wie einer CCD Kamera, ist es eigentlich egal wieviel Energie auf die Sehzellen fällt, sondern nur wieviele Photonen. Wenn also 1000 Photonen mit 500nm auf das Auge treffen werden die das gleiche Signal liefern wie 1000 Photonen mit 495nm

    Das habe ich mich auch schon gefragt. Das wird in den Überlegungen oben ja nicht berücksichtigt, oder?

  8. #8 Sepp
    17. Juni 2013

    Es wird außerdem vermutet, dass größere Tiere, welche länger als etwa 10 Jahre leben, kein UV-Licht sehen können, da dieses langfristig die Rezeptoren beschädigt. Da ist der knappe Platz in den Augen besser nutzbar. Bei Tieren mit einer kurzen Lebensspanne ist das natürlich egal.

  9. #9 Theres
    17. Juni 2013

    Auch lang spannend, vielen Dank und irgendwie erinnert das an das Henne- Ei- Problem. Die Anpassung ans Mondlicht hielte ich für logischer, wieso wir nur drei Farbsehpigmente haben, steht doch irgendwo auf diesem Blog. Die Dinos waren schuld.
    Und doch kein sms- Fortsetzungsroman 😀

  10. #10 MartinB
    17. Juni 2013

    @Niels
    Danke, ist korrigiert.

    @RainerM
    Ja, die geschichte habe ich auch mal erzählt – folge dem Link zum Thema Farbsehen.

    @tp, SimonP
    Das mit den Photonen stimmt natürlich – man wird also nie die ganze Energie ausnutzen können (genau wie bei einer Solarzelle). Das ist bei dem Wert von 20% wohl nicht berücksichtigt – aber so oder so ist das Auge weit davon entfernt, alles Licht zu nutzen, das genutzt werden könnte.

    @rolak
    Der Begriff “Märchen” ist dichterische Freiheit…

  11. #11 schlappohr
    17. Juni 2013

    Hm… also das mit den verschiedenen Normierungen ist mir nicht so ganz klar. Gleichgroße Wellenlängenintervalle entsprechen unterschiedlich großen Frequenzintervallen, und die Intensitätsverteilung sieht dann in beiden Fällen unterschiedlich aus, verstanden. Andererseits kann ich die Breite eines Wellenlängenintervalls gegen Null gehen lassen und erhalte damit auch ein sehr schmales Frequenzintervall. Im Grenzfall entspricht eine einzelne Wellenlänge genau einer Frequenz. Damit könnte ich z.B. die Kurve eines Lasers vermessen, der ja auf genau einer Wellenlänge und damit genau einer Frequenz strahlt und an dieser Stelle im Spektrum seine gesamte Energie emittiert.

    Die sagst zwar “Es ergibt nicht so schrecklich viel Sinn, sich zu fragen, wieviel Licht bei einer Wellenlänge von 502,65387245617 Nanometern ausgesandt wird.”

    Aber warum nicht? Wenn man das mit sehr vielen sehr (im Idealfall unendlich) kleinen Frequenz- bzw. Wellenlängenbändern macht, erhält man dann nicht eine Kurve, die unabhängig von Normierungen immer gleich ist?

    (Das ganze natürlich mal abgesehen von der technischen Machbarkeit. Vermutlich gibt es keine so schmalbandigen Filter)

  12. #12 MartinB
    17. Juni 2013

    @schlappohr
    ” Im Grenzfall entspricht eine einzelne Wellenlänge genau einer Frequenz.”
    Auch im Grenzfall unendlich kleiner Wellenlängenintervalle sind die zugehörigen Frequenzintervalle nicht gleichmäßig. Sieht man am einfachsten z.B. im Grenzfall extrem kurzer Wellenlängen: Das Wellenlängenintervall zwischen 0 und irgendeiner Wellenlänge wird imemr auf ein Frequenzintervall zwischen einer bestimmten Frequenz und unendlich abgebildet.
    Mathematisch kann man es auch mit der Formel einsehen, die ich oben in Klammern hingeschrieben habe.

  13. #13 Sven Türpe
    17. Juni 2013

    Evolution führt auch nicht zum Optimum, sondern nur in die Nähe eines Optimums.

    Zudem erfolgt die evolutionäre Auswahl nach Tauglichkeit unter Berücksichtigung aller Überlebensfaktoren in einer kompliziertem dynamischen Umgebung. Neben der simultanen Anpassung an das Tag- und Nachtsehen könnten auch Faktoren wie z.B. Augengröße, Energiebedarf, Auflösung und Verarbeitungsmöglichkeiten im Gehirn eine Rolle spielen. Im Grunde genommen ist schon die Frage nach einer Optimierung auf den Einzelfaktor Sonnenlichtspektrum irreführend.

  14. #14 MartinB
    17. Juni 2013

    @SvenTürpe
    ” Im Grunde genommen ist schon die Frage nach einer Optimierung auf den Einzelfaktor Sonnenlichtspektrum irreführend.”
    Nein. es gibt viele Fälle, in denen man eine relativ klare Optimierungsvariable finden kann – McNeill Alexander hat darüber ein ganzes Buch geschrieben (“optima fpr animals”). Es ist immer gut und oft instruktiv, sich zu fragen, ob man eine Struktur durch ein Optimierungskriterium erklären kann.

  15. #15 Simon P.
    17. Juni 2013

    @MartinB:

    Das mit den Photonen stimmt natürlich – man wird also nie die ganze Energie ausnutzen können (genau wie bei einer Solarzelle). Das ist bei dem Wert von 20% wohl nicht berücksichtigt – aber so oder so ist das Auge weit davon entfernt, alles Licht zu nutzen, das genutzt werden könnte.

    Ja, ich glaube sogar, dass der Effekt noch dramatischer wird, wenn man die Photonen berücksichtigt.

    Mein Punkt ist: wenn wir davon ausgehen, dass allein die Zahl der im Auge detektierten Photonen pro Zeiteinheit für die Stäkre des optischen Signals verantwortlich ist, dann ist es für Fragen der Wahrnehmung nicht sinnvoll, die Leistung gegen die Frequenz aufzutragen. Denn das relevante Maximum dN/dt(f) liegt nicht unbedingt an der gleichen Stelle wie das Maximum der oben gezeigten Funktion P(f).

    Bei einer festen Energie sinkt die Photonenzahl mit 1/f. Das heißt, dass ein mögliches optisches Signal für kleine Frequenzen viel stärker ist als für große.

    Nun können wir uns vorstellen, dass unser Auge bevorzugt Photonen detektiert, deren Frequenz kleiner ist als die Frequenz, bei der die eingestrahlte Leistung maximal wird. In diesem Fall wäre es gut möglich, dass das optische Signal größer wäre als wenn die Maxima der Absorptionskurve und der Kurve der eingestrahlten Leistung übereinander liegen würde. Unser Auge wäre dann trotzdem gut an das Sonnen-Spektrum angepasst.

    Tatsächlich ist die Absorptionskurve des Auges aber zu größeren Frequenzen hin verschoben. Die Anpassung ist also noch schlechter als der Graph oben nahelegt.

  16. #16 Ulf Lorenz
    17. Juni 2013

    @tp1024:

    Wenn ich mich recht entsinne, taucht in den Absorptionsprozessen nicht die Photonenzahl, sondern die Energie auf. D.h. 1000 Photonen bei 495nm fuehren zu einem geringfuegig staerkeren Signal als bei 500nm (bei gleichen Dipol-Uebergangsmatrixelementen, was das Ganze ein wenig kuenstlich macht).

  17. #17 Simon P.
    17. Juni 2013

    Ah, ich glaube ich gehe von falschen Vorraussetzungen aus. Die Absorptionskurven berücksichtigen ja Dinge wie Photonenzahl und Dipolelemente schon, weil die Absorbanz über die eingestrahlte Intensität definiert wird.

    Insofern nehme ich alles zurück 😉

  18. #18 Gast
    17. Juni 2013

    Sehr schöne Betrachtung mal.
    Die Sonnenenergie, die auf der Erdoberfläche ankommt, ist wohl nicht so entscheidend, da das Betrachten der Sonne mit bloßem Auge sehr schnell zu schweren Schäden führt.
    Wichtiger scheint mir deshalb das von natürlichen Objekten reflektierte Signal und dann eine informationstheoretische Aufgabe: lege drei Spektralfilter mit ca 100nm Bandbreite, so dass du in statistisch natürlicher Umgebung möglichst viele Objekte (spektral) unterscheiden kannst. Wie kann eine maximale Anzahl von Spektralklassen gebildet werden.
    (Ähnliches steht auch schon in einigen obigen Einträgen)

  19. #19 MartinB
    17. Juni 2013

    @Gast
    Wenn’s um das spektrale Unterscheiden geht, dann ist das Farbsehen relevant – dazu steht was in dem oben verlinkten Artikel.
    Das Maximum bei etwa 500nm bezieht sich aber ja auch auf die Stäbchen, die mit Farbe nichts zu tun haben.
    Aber du hast sicherlich recht, dass natürlich auch das reflektierte Licht wichtig ist – das korrekt einzubeziehen, dürfte schwierig werden. (Und wenn man überlegt, dass unsere direkten Vorfahren in der Savanne gelebt haben, wo man eigentlich lieber ne Sonnebrille hätte, dann ist optimale Lichtausbeute für die auch nicht so wichtig, jedenfalls am Tag).
    Vorschlag für ein Forschungsprojekt: wir messen die Lichtempfindlichkeit für ca. 100 oder 200 Säugetierarten, mappen das auf ein Kladogramm, korrelieren alles mit der Lebensweise (tag/nachtaktiv, Lebensraum etc.) und schauen, was rauskommt. Jemand ein paar Millionen Euro Fördermittel übrig?

  20. #20 threepoints...
    18. Juni 2013

    Zitat:

    “Wäre unser Auge empfindlich für Licht mit Wellenlängen von mehr als 1400 Nanometern, dann würden wir auch dann etwas sehen, wenn wir die Augen zumachen, denn dann würde die Wärme innerhalb unseres Körpers ausreichen, die Sehzellen anzuregen.”

    -> Das tun wir auch. Wir können Wärme sehen. So zumindest interpretiere ich das, was ich sehe,wenn ich die Augenlieder schliesse und dabei in die Sonne Sehe.
    Da passiert dann nämlichfolgendes:
    Die dünnen Augenlieder werden erwärmt und ich kann das sehen und zwar in einem Organge-Farbton, der sich recht schnell (parallel zur Erwärmung der Lieder) ergibt.

    1400 Nanometer sinds wohl nicht. Aber Wärmestrahlung ist dabei.

  21. #21 PDP10
    18. Juni 2013

    @threepoints:

    “Die dünnen Augenlieder werden erwärmt und ich kann das sehen und zwar in einem Organge-Farbton, der sich recht schnell (parallel zur Erwärmung der Lieder) ergibt.”

    Dann guck mal in eine sehr helle Leuchtstofflampe.
    Da werden die Augenlider nicht warm. Aber du siehst trotzdem orange ….

    Und zwar einfach deshalb, weil deine Augenlider nicht vollständig “lichtdicht” sind.

  22. #22 threepoints...
    18. Juni 2013

    @ PDP10 #21

    Das habe ich auch erst gedacht. Klar, muß ja leuchten, weil die Lieder ja so dünn sind.
    Aber es ist nicht nur hell / orange, sondernes fühlt sich auch warm an und zwar wird es wärmer, je intensiver das orange leuchtet. Das hier ein Anteil Erwärmung “gesehen” werden kann, ist nicht ausgeschlossen.
    Jetzt könnt ihr mir erzählen, dass wir Wärmestrahlung nicht sehen können. Das mag ja sein – zumindest direkt nicht, aber die Streuung davon möglicherweise schon. Wie prüfen wir das jetzt? Wie kann man die Wellenlängen/Frequenzen auf der NEtztheut voneinander getrennt messen?

  23. #23 PDP10
    18. Juni 2013

    @threepoints:

    “sondernes fühlt sich auch warm an und zwar wird es wärmer, je intensiver das orange leuchtet.”

    In meinem Beispiel eben nicht. Es wird nur hell und nicht warm.
    Jedenfalls, wenn du deine Backen nicht direkt an die Leuchtstofflampe hälst :-)

  24. #24 Eheran
    18. Juni 2013

    “Wie prüfen wir das jetzt?”
    Nimm eine Rotlichtlampe und halte direkt vor dein Auge irgendetwas lichtdichtes, möglichst schwarzes. Passiert irgendetwas? Nein.
    Zweitens: Die veränderung passiert sofort und nicht erst nach erwärmung des Augenlids. Hier hätte man eine deutliche Verzögerung, würde man IR warnehmen.

    “Das mag ja sein – zumindest direkt nicht, aber die Streuung davon möglicherweise schon.”
    Und welche Magie sorgt dafür, dass (d)ein Auge zwischen direkter und “gestreuter” Strahlung unterscheiden kann? Zumal das auch direkte Strahlung ist, da sie vom Lid ausgesandt wird. Streuen könnte man die IR-Strahlung nur mit einem matten Metallspiegel.

    Wie erklärst du dir das “nicht glühen” von Körpern unterhalb 500°C, wenn wir doch solche Strahlung sehen können?

  25. #25 MartinB
    18. Juni 2013

    @threepoints
    Du spürst die Wärme auf den Augenlidern und siehst gleichzeitig das Durchschimmern des Lichts. Infrarotstrahlung können wir definitiv nicht sehen; soweit ich weiß, ist der Glaskörper dafür auch nicht so besonders durchlässig.

  26. #26 Strudel
    19. Juni 2013

    Zitat: “Bei Dichteverteilungen gibt es immer unterschiedliche Möglichkeiten der Normierung, ob eine davon besser ist als eine andere, hängt von der Fragestellung ab. Für unseren konkreten Fall des Sonnenspektrums gibt es letztlich keine Darstellung, die besonders ausgezeichnet oder “besser” ist.”

    Warum sollte das so sein? Wenn die Erregungsmechanismen in den Sehzellen genau bekannt sind, müsste man entscheiden können, welche Darstellung die geeignetere ist. Andernfalls könnte ich auch weiterhin bei der Lambda-Skalierung bleiben und behaupten. das Auge sei perfekt optimiert.

  27. #27 threepoints...
    19. Juni 2013

    @ eheran #24

    “Streuen könnte man die IR-Strahlung nur mit einem matten Metallspiegel.”

    Besteht ein Unterschied zwischen streuen und brechen? Was passiert, wenn etwa Wärmestrahlung durch Materie strahlt. Könnte es dazu kommen, dass Anteile der Strahlung seine Eigenschaften und Richtung verändern? Wellenlänge und Frequenz dabei verändert werden?

  28. #28 Eheran
    19. Juni 2013

    Die Strahlung wird vorallem absorbiert.
    Es gibt nicht sonderlich vieles, was für solche IR-Spektren durchlässig ist.

    Davon abgesehen hast du diese absurde Behauptung aufgestellt, nicht ich, also frag mich nicht, wie das funktionieren soll – das geht einfach nicht.
    Auch nicht mit irgendwelchen Änderungen.

  29. #29 MartinB
    19. Juni 2013

    @Strudel
    Wie oben erläutert ist das mit der Dichteverteilung beim Empfänger kein Problem, nur beim Emitter. Beim Empfänger spielt es keine Rolle, ob ich die Absorption gegen die Frequenz oder die Wellenlänge auftrage; das Maximum bleibt an der gleichen Stelle (sonst könnte ich plötzlich infrarot sehen, wenn ich mich entschließe, auf die Frequenz zu normieren…)

  30. #30 SCHWAR_A
    20. Juni 2013

    hier im unteren Teil gibt es tolle Gegenüberstellungen des Sonnenspektrums…

  31. #31 Amina
    21. Juni 2013

    PS: Es gibt auch Tetrachromaten unter den Menschen, wohl ausschließlich Frauen wegen der Vererbung auf dem X-Chromosom.

  32. #32 licht-im-terrarium
    21. Juni 2013

    Danke #30, dass du mich auf den Artikel aufmerksam gemacht hast 😉

    Vielleicht als Ergänzung zur Hypothese, dass Nachtaktivität fehlende UV-sensitivität bedingt:

    Bei den Reptilien sieht der Forschungsstand derzeit so aus, dass die nachtaktiven Schlangen und Geckos den Rot-Zapfen verloren haben, den die tagaktiven Echsen haben. Ihnen bleiben die UV-, Blau-, und Grün-Zapfen. Man könnte also spekulieren, dass UV nachts sogar nützlicher ist, als rot. Bei Fledermäusen vermutet man, dass sie einen UV-Zapfen haben, weil in der Dämmerung (also nicht direkt nachts, aber viele “nachtaktive” Tiere sind eher dämmerungsaktiv) prozentual gesehen, viel UV vorhanden ist (doi:10.1371/journal.pone.0006390).

    Wie du vermutlich (hab ich noch nicht gelesen) im verlinkten Artikel, warum die Dinosaurier an der Farbenblindheit schuld sind, selbst geschrieben hast, liest man oft, dass UV-Blau-Grün-Rot der Prototyp im Tierreich ist. Säugetiere haben dann sowohl UV als auch Rot verloren und nur die modernsten Affen anschließend wieder einen Pseudo-Rotzapfen (eigentlich Gelb-Zapfen) entwickelt.

    Da das Auge selbst mit Flüssigkeit gefüllt ist, halte ich die Transmissionseigenschaft von Wasser tatsächlich für einen interessanten Aspekt. Wasser ohne gelöste organische Kohlenstoffverbindungen ist bis weit ins UV sehr gut transparent.

  33. #33 threepoints...
    21. Juni 2013

    @ Eheran #28

    Wird absorbiert, erwärmt das Material bei entsprechender Leistung und strahlt entsprechend der erreichten Körpertemperatur Wärmestrahlung wieder ab.

    Sicher, wir können die Wärmestrahlung nicht sehen. Aber wir können zuweilen erwärmte Materialien von kälteren unterscheiden, weil sich deren abgestrahltes Spektrum eben auch verändert.

    Schlichtweg ist Licht/elektromagnetische Strahlung sowieso nur da zu sehen, wo Materie angestrahlt wird (mit einigen Einschränkungen). Weswegen der leere Raum im All auch dunkel ist, obwohl Unmengen Licht und Leistung vorhanden ist.

    Ich habe keine Rotlichtlampe – sowas gehört irgendwie zu den Hausmittelchen, die ich nicht für zeitgemäß halte.

    @ #31/32

    Könnte dass heissen, dass ich was sehen kann, was andere nicht sehen? Also, wenn ich eine Frau wäre und das entsprechende Chromosom hätte?
    Muß ich davon zwangsläufig wissen, weil ichs ja unmittelbar sehe, oder braucht es eine Konditionierung dazu?

  34. #34 Eheran
    21. Juni 2013

    Les nochmal deinen Beitrag #27 und meinen #28 als Antwort darauf, denn deine Aussagen machen grad irgendwie keinen Sinn. Du meinst doch, dass die Strahlung durchgeht, gestreut wird/könnte/was-wäre-wenn usw. Ich sagte dir, dass sie absorbiert wird. Jetzt reibst du mir unter die Nase, dass sich das Zeug dabei erwärmt und natürlich auch selbst strahlt…
    Du behauptest ständig irgendwas neues, nachdem dein Bisheriges restlos widerlegt wurde.
    Hab irgendwie keine Lust mehr, mit dir zu “diskutieren”.

  35. #35 MartinB
    22. Juni 2013

    @licht-im-terrarium
    Danke für den Hinweis. Das mit dem höheren UV-Anteil bei Dämmerung hatte ich gar nicht bedacht – dabei lernt man das doch beim fotografieren wegen der Farbtemperatur bei Sonnenuntergangsbildern.

    Dass es auch Echsen gibt, die einen Zapfen verloren haben, wusste ich gar nicht.

  36. #36 Luk
    26. Juni 2013

    http://www.mpg.de/480427/pressemitteilung20031008?print=yes

    In der Nacht wäre UV-Sehen also eher ein Vor- als ein Nachteil.

    Für die maximale empfindlichkeit bei 550nm dürfte wohl einfach gelten: wie viele Photonen kann man mit möglichst weniga Aufwand wahrnehmen.

    Bei W/Hz täuscht die Kurve weil bei Höheren Frequenzen die Energie auf weniger Teilchen verteilt werden (ich gehe mal davon aus das die Quanteneffizienz unter 100% ist und dadurch ein Photon ein Signal erzeugt egal wie Energiereich es ist) die ich Wahrnehmen kann.

    Dadurch erscheint mir die Normierung auf nm sinnvoller.

    Am besten wäre es man würde einfach Zählen wie viel man Wahrnehmen kann (przentual) wenn man die maximal Empfindlichkeit des Auges verschiebt. Im Moment haben wir 20% aber evt. ist nicht mehr drinn (ähnlich wie eine Solarzelle mit nur einer Bandlücke).

    Die Anzahl Zellen für das Farbsehen ist vergleichsweise sowieso gering und dient wohl eher einer nachträglichen Kolorierung.

  37. #37 MartinB
    27. Juni 2013

    @Luk
    Danke für den Link .
    Die Pressemitteilung scheint etwas irreführend zu sein, denn da steht:
    “Das kalte Nachtlicht ist nur schwach. Doch sein Spektrum ist gegenüber dem Tageslicht zu den kurzen UV-Wellenlängen hin verschoben.”
    Im paper selbst dagegen steht das, was wir hier auch schon oben diskutiert haben:
    ” The poss-
    ible adaptive function of ultraviolet vision in this species may be to enhance visual contrast perception13 of ultraviolet-light-reflecting flowers7 during the twilight phase of the day, when the spectrum is shifted towards short wavelengths”
    Danach ist es also nicht das nacht- sondern das Dämmerungssehen, das von höherer UV-Empfindlichkeit profitiert.

  38. #38 Luk
    5. Juli 2013

    Danke für die Weiterführenden Informationen die mir nicht zugänglich waren.

    Habe heute noch etwas gefunden: http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Seestern_oder_Sehstern__1771015589207.html

    Dort steht:
    Der Bereich des sichtbaren Lichts, in dem ihr Auge außergewöhnlich empfindlich ist, eignet sich besonders gut dazu, den Kontrast zwischen Riff und offenem Meer zu erkennen.

  39. #39 MartinB
    6. Juli 2013

    Ebenfalls danke, sehr interessant. Die meisten Tiere können doch mehr, als man denkt…

  40. #40 Torsten Crull
    2. August 2013

    Sehr interessant!

    Martin, Du schreibst:

    “Wenn wir Licht detektieren, … spielt die genaue Breite des Wellenlängenintervalls keine Rolle, es kommt nur auf die Energiemenge an.”

    und

    “Und welches Bild ist nun “richtig”? Letztlich sind beide gleich gut und gleich richtig …”

    Wenn ich hier 1 + 1 zusammen zähle, dann müsste das “richtige” Bild doch konstante Energie-Intervalle haben, oder?

    Da E_\text{photon} = h \, \nu ist, müsste die Frequenz-Darstellung die richtige sein.

    Ich denke, das wäre eine gute Begründung. Die Worte “Licht hat ja nicht nur eine Wellenlänge, sondern auch eine Frequenz” sind keine Begründung.

  41. #41 MartinB
    2. August 2013

    @Torsten
    Nein, der Unterschied liegt eben zwischen Dteektion und Aussendung. Bei der Detektion kann ich ja immer beliebig monochromatisches Licht zur Anregung nehmen.

  42. #42 Armin Pieroth
    D-55411 Bingen am Rhein
    14. Juni 2014

    Dass die Natur ein Optimum anstrebt, ist eine anthropologische Betrachtungsweise. Die Auslese bewertet vorhandene Mutationen, und erhält bevorzugt die brauchbaren. Das führt allermeistens nur zu einen relativen Optimum, auch in einer Sackgasse. Wenn man genau hinschaut, ist das oft ein Sammelsurium von Murks: man betrachte nur die vielen ausgestorbenen Arten in Tier- und Pflanzenreich.
    Beispiel Auge: Die Netzhaut des Wirbeltierauges liegt hinter der Versorgung mit Nervenleitern; bei den Kraken ist das besser gelöst.
    Gerade den grünen Bereich des Sonnenlichtes, in dem das Maximum der Strahlung liegt, können die Pflanzen nicht nützen.
    Kein biologischer Prozess erreicht auch nur den thermodynamischen Wirkungsgrad eines modernen Dieselmotors.
    Bisher hat das im Kampf ums Dasein aber gereicht, vor allem, weil Sonnenenergie nichts kostet.
    Zum Thema intelligenter Designer: in meinem Konstruktionsbüro hätte der keine Stelle bekommen.

  43. #43 MartinB
    14. Juni 2014

    @Armin
    Klar. Ich empfehle dazu auch diese schöne Seite:
    http://oolon.awardspace.com/SMOGGM.htm
    Siehe auch Kommentar #3

  44. #44 MatthiasH
    Saarland
    12. März 2017

    Yo klar, dass sich ein Empfindlichkeitsmaximum nur dort “evolutionär auszahlt”, wo man es auch wirklich nötig hat.

    Auf von Sonne beschienener Umgebung hat man ja keine Probleme.

    Probleme hat man eben in der Dämmerung ( man gucke mal unter wikipedia “Blaue Stunde” ) und – würde ich hinzufügen – auch tagsüber bei dem, was man im Schatten erkennen will, womöglich noch versteckt und verwinkelt. Gerade dann, wenn die Pupille wegen der ansonst hohen Umgebungshelligkeit auch noch verengt ist, zahlen sich dann Rezeptoren für niedrigere Wellenlängen aus.

    Um es in Farbtemperatur auszudrücken: Die durchschnittliche Farbtemperatur von 6500 K von Tageslicht ergibt sich ja aus der Mischung der 5500K der direkten Sonneneinstrahlung und des – je nach mehr oder weniger “Diesigkeit” der Troposphäre – bis zu 12000 Kelvin Streulichts des blauen Himmels.

    Was im Schatten liegt, kriegt eben ( neben mehr oder weniger von sonnenbeschienenen Objekten reflektierten Anteilen ) nur dieses diffuse Streulicht mit bisweilen nur rd. halber Wellenlänge ab.

  45. #45 MartinB
    12. März 2017

    @MatthiasH
    Guter Punkt.