Frings / Müller Biologie der Sinne

Vom Molekül zur Wahrnehmung
2. Auflage 2019
ISBN: 978-3-662-58350-0
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 377 Seiten

Reihe: Life Science and Basic Disciplines (German Language)

Unsere Sinne - Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten - bestimmen wesentlich unser Leben. Alles was wir wissen, wurde uns von unseren Sinnen vermittelt. Aber wie funktionieren unsere Sinne und wie kommt das Wissen über die Welt in unseren Kopf? Nach welchen Kriterien entscheidet unser Gehirn, was zu tun ist?In diesem Sachbuch wird allgemeinverständlich dargelegt, wie hoch entwickelt die Sinnesorgane bei Tieren und Menschen sind. Oft erreichen Sinnesleistungen die Grenze des physikalisch Möglichen. Das Buch erklärt, wie Sinnesreize erfasst werden, wie sie in die Sprache des Nervensystems übersetzt werden und wie unser Gehirn Sinnesinformation verarbeitet. Das Gehirn setzt dabei auf wohl bewährte Strategien, die ein Ziel verfolgen: die Überlebenschance des Organismus zu erhöhen. Deshalb wird in diesem Buch gezeigt, wie sehr die Sinnesleistungen durch die Evolution geformt und bestimmt wurden. Das Buch zeigt auch, dass viele Tiere ihre Umwelt vollkommen anders wahrnehmen als wir.Für die Neuauflage haben die Autoren den Text durchgesehen und auf den aktuellen Stand gebracht.

Prof. Dr. Stephan Frings: Gärtner im Botanischen Garten in München, Biologiestudium in Konstanz, Promotion an der University of Otago, Dunedin, New Zealand, Forschung am Institut für Biologische Informationsverarbeitung im Forschungszentrum Jülich, Professor für Molekulare Physiologie am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg, 2007 Landeslehrpreis Baden-Württemberg, Lehrbuchautor beim Springer-Verlag.  Prof. Dr. Frank Müller: Biologiestudium und Promotion in Mainz, Forschung am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt, Abteilungsleiter am Institute of Complex Systems, Zelluläre Biophysik, ICS-4 im Forschungszentrum Jülich und Professor für Molekulare Sinnes- und Neurobiologie an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.

Autoren/Hrsg.

Frings, Stephan

Müller, Frank

Inhaltsverzeichnis

1;Inhaltsverzeichnis;5
2;1: Die Sinne – unsere Fenster zur Welt;11
2.1;1.1 Wahrnehmung findet im Gehirn statt;12
2.1.1;1.1.1 Gefangen in der Maskenwelt;12
2.1.2;1.1.2 Das Gehirn, das rätselhafte Organ der Wahrnehmung;12
2.2;1.2 Wie kommt die Welt in unseren Kopf?;14
2.2.1;1.2.1 Von der Sinneszelle zur Wahrnehmung;14
2.2.2;1.2.2 Wahrnehmung ist ein Urteilsakt des Gehirns;15
2.3;1.3 Sinneswelten;16
2.3.1;1.3.1 Sinneswelt, die erste!;16
2.3.2;1.3.2 Sinneswelt, die zweite!;17
2.3.3;1.3.3 Sinneswelt, die dritte!;19
2.4;1.4 Vom Sinn der Sinne;19
3;2: Die Evolution der Sinne;21
3.1;2.1 Die Sinne des Menschen und wie er dazu kam;22
3.1.1;2.1.1 Wie viele Sinne hat der Mensch?;22
3.2;2.2 Die Evolution der Sinne;24
3.2.1;2.2.1 Die Evolution ist der Motor für die Weiterentwicklung des Lebens;24
3.2.2;2.2.2 Das Prinzip der Zucht – die künstliche Auswahl;26
3.2.3;2.2.3 Das Prinzip der Evolution – die natürliche Auslese;27
3.2.4;2.2.4 Die Eigenschaften unserer Sinnessysteme und die Verarbeitungsstrategien unseres Gehirns sind ein Produkt der Evolution;30
3.2.5;2.2.5 Kinder der Evolution;34
3.2.6;2.2.6 „Wer hat’s erfunden?“;36
3.3;2.3 Jeder auf seine Art – die Leistungen unserer Sinne sind höchst unterschiedlich;37
3.3.1;2.3.1 Zwei Sinne im Vergleich;37
3.3.2;2.3.2 Vom Sinnesreiz zum Verhalten;39
3.4;Weiterführende Literatur;41
4;3: Die Sprache der Nervenzellen – und wie man sie versteht;42
4.1;3.1 Labor eines Neurowissenschaftlers;44
4.2;3.2 Labor 1: Die wunderbare Welt der Nervenzelle;46
4.2.1;3.2.1 Nervenzellen sind die Funktionseinheiten des Gehirns;46
4.2.2;3.2.2 Aufbau einer Nervenzelle;46
4.2.3;3.2.3 Was macht die Nervenzelle zur Nervenzelle?;49
4.2.4;3.2.4 Warum können Nervenzellen Signale übertragen?;53
4.3;3.3 Labor 2: Von Ionen und Membranen – wie Nervenzellen eine elektrische Spannung aufbauen;54
4.3.1;3.3.1 Ionen sind die Grundlage für elektrische Signale in Nervenzellen;54
4.3.2;3.3.2 Ionenpumpen bauen Unterschiede zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung auf;56
4.3.3;3.3.3 Ionenkanäle sind elektrische Schalter in der Zellmembran;57
4.4;3.4 Labor 3: Aktionspotenziale sind die Sprache unseres Nervensystems;60
4.4.1;3.4.1 Die Membranspannung spiegelt die Aktivität einer Nervenzelle wider;60
4.4.2;3.4.2 Aktionspotenziale leiten Signale über lange Strecken;61
4.5;3.5 Labor 4: Wie Nervenzellen Information austauschen;67
4.5.1;3.5.1 Synapsen übertragen die Information chemisch;67
4.6;3.6 Labor 5: Wie man mit Nervenzellen einen Hochleistungsrechner baut;70
4.6.1;3.6.1 Die Grundlagen des neuronalen Rechnens: Konvergenz und Divergenz, Erregung und Hemmung;70
4.6.2;3.6.2 Der Rechner in der Nervenzelle;73
4.6.3;3.6.3 Die schreckhafte Maus oder die Rückwärtshemmung als Notbremse;75
4.7;Weiterführende Literatur;76
5;4: Von der Sinneszelle zum Gehirn;77
5.1;4.1 Vom Reiz zum elektrischen Signal – die Signalwandlung;78
5.1.1;4.1.1 Eine komplizierte Aufgabe;78
5.1.2;4.1.2 Sinneszellen besitzen ein spezialisiertes Außensegment;78
5.1.3;4.1.3 Die einfachste Art der Signalwandlung: Rezeptor und Ionenkanal sind in einem Protein zusammengefasst;79
5.1.4;4.1.4 Signalwandlung mit dem Baukastensystem – die G-Protein-gekoppelte Signalkaskade;80
5.2;4.2 Adaptation;84
5.2.1;4.2.1 Sinneszellen passen sich an die Umgebung an – sie adaptieren;84
5.3;4.3 Codierung der Sinnesinformation;85
5.3.1;4.3.1 Sinnesreize werden in der Abfolge von Aktionspotenzialen codiert und an das Gehirn geschickt;85
5.4;4.4 Die geordnete Verschaltung der Sinnesinformation;86
5.4.1;4.4.1 Ordnung im Strom der Sinnesinformation;86
5.4.2;4.4.2 Ordnung auf höchster Ebene – die topografische Abbildung;89
5.4.3;4.4.3 Die Sinnesinformation wird gefiltert;89
5.5;Weiterführende Literatur;90
6;5: Schmecken;91
6.1;5.1 Vom Sinn des Schmeckens;92
6.2;5.2 Geschmackszellen überprüfen die Nahrung;94
6.3;5.3 Sauer und salzig: Ionenkanäle auf der Zunge;94
6.4;5.4 Bittere Gifte;99
6.5;5.5 Köstlicher Geschmack: Süß und umami;102
6.6;5.6 Der „Scharfgeschmack“ ist eigentlich ein Schmerzreiz;104
6.7;5.7 Die Geschmacksempfindung;106
6.8;5.8 Andere Lösungen;107
6.9;Weiterführende Literatur;108
7;6: Riechen;109
7.1;6.1 Die Vielfalt der Gerüche ist grenzenlos;110
7.2;6.2 Riechzellen in der Nase detektieren Duftstoffe;111
7.3;6.3 Im Gehirn entstehen Geruchsbilder;118
7.4;6.4 Bleib jung! Das Riechsystem erneuert sich selbst;120
7.5;6.5 Das Riechen mit Zilien;120
7.6;6.6 Pheromone organisieren das Sozialleben;122
7.7;6.7 Was uns an Gerüchen interessiert;127
7.8;6.8 Leben, ohne zu riechen;131
7.9;Weiterführende Literatur;131
8;7: Sehen;132
8.1;7.1 Augen auf – und dann?;135
8.1.1;7.1.1 Ball, Satz und Sieg!;135
8.1.2;7.1.2 Betrachten wir die Sache mit dem Sehen mal bei Licht …;135
8.1.3;7.1.3 Was wir in diesem Kapitel sehen werden;137
8.1.4;7.1.4 Was ist eigentlich Licht?;138
8.2;7.2 Das Auge;139
8.2.1;7.2.1 „Ich seh dir in die Augen, Kleines!“;139
8.2.2;7.2.2 Auf den ersten Blick ähnelt unser Auge einer Kamera;141
8.2.3;7.2.3 Nur im winzigen Zentrum unseres Bildfeldes sehen wir wirklich scharf;144
8.2.4;7.2.4 Die Verteilung der Photorezeptoren erfolgt als Anpassung an die Lebensweise;149
8.2.5;7.2.5 Wer hat die schärfsten Augen?;150
8.3;7.3 Wie unsere Photorezeptoren Licht in die Sprache des Nervensystems übersetzen – die Phototransduktion;153
8.3.1;7.3.1 Das Außensegment ist die lichtempfindliche Antenne des Photorezeptors;153
8.3.2;7.3.2 Der erste Schritt beim Sehen: Ein Farbstoffmolekül im Photorezeptor absorbiert das Lichtquant;155
8.3.3;7.3.3 Die elektrische Lichtantwort unserer Photorezeptoren ist außergewöhnlich;156
8.3.4;7.3.4 Unsere Photorezeptoren – die etwas anderen Zellen;158
8.3.5;7.3.5 Ein Stäbchen kann zwar auf ein Lichtquant reagieren, wahrnehmen können wir ein einzelnes Lichtquant aber nicht;161
8.3.6;7.3.6 Besser als jeder fotografische Film: Die Anpassungsleistung der Netzhaut;161
8.3.7;7.3.7 Immer in Bewegung bleiben – wie Mikrosakkaden unsere Wahrnehmung stabilisieren;164
8.4;7.4 Farbensehen;165
8.4.1;7.4.1 Drei Sehpigmente in den Zapfen ermöglichen uns das Farbensehen;165
8.4.2;7.4.2 Die trichromatische Theorie der Farbwahrnehmung;169
8.4.3;7.4.3 Farbsehstörungen;169
8.4.4;7.4.4 Die Evolution des Farbensehens;170
8.5;7.5 Die Retina – der Rechner im Auge;173
8.5.1;7.5.1 Die Netzhaut besteht nicht nur aus Photorezeptoren;173
8.5.2;7.5.2 Die Information wird im retinalen Netzwerk weiterverarbeitet;174
8.5.3;7.5.3 Die Sprache der Ganglienzellen;176
8.5.4;7.5.4 Vorteil eins: Objekttrennung durch Kontrastverschärfung!;178
8.5.5;7.5.5 Vorteil zwei: Die Informationsflut wird reduziert;180
8.5.6;7.5.6 Vorteil drei: Unabhängig werden von der Beleuchtung;181
8.5.7;7.5.7 Wie die Antwort im Zentrum des rezeptiven Feldes erzeugt wird;185
8.5.8;7.5.8 Wie die Retina durch laterale Hemmung rezeptive Felder erzeugt;185
8.5.9;7.5.9 Ganglienzellen sind neuronale Filter;187
8.5.10;7.5.10 Auf ins Gehirn!;191
8.6;7.6 Eine Reise durch das Sehsystem;191
8.6.1;7.6.1 Von der Retina bis zur primären Sehrinde;191
8.6.2;7.6.2 Die Sehrinde ist hochorganisiert;194
8.6.3;7.6.3 Die meisten rezeptiven Felder in der primären Sehrinde reagieren auf Kanten und Linien;195
8.6.4;7.6.4 Jenseits der primären Sehrinde;199
8.6.5;7.6.5 Der dorsale Pfad: Die Wo-wie-wohin-Bahn;200
8.6.6;7.6.6 Der ventrale Pfad: die Was-Bahn;201
8.6.7;7.6.7 Wo, bitte, geht’s zur Großmutterzelle?;203
8.6.8;7.6.8 Andere Lösungen: Komplexaugen;205
8.7;Weiterführende Literatur;208
9;8: Hören;209
9.1;8.1 Bei Nacht im Kreidewald;210
9.2;8.2 Schall hören;211
9.2.1;8.2.1 Von der Schallquelle in das Ohr;211
9.2.2;8.2.2 Die Vielfalt des Hörens: Töne, Klänge, Geräusche;213
9.3;8.3 Cochlea – die tonotope Hörschnecke;214
9.3.1;8.3.1 Resonanz und Wanderwellen;214
9.3.2;8.3.2 Aufbau der Cochlea;215
9.3.3;8.3.3 Der Verstärker des Corti-Organs;217
9.3.4;8.3.4 Innere Haarzellen – empfindlicher geht es nicht;219
9.3.5;8.3.5 Die mechanoelektrische Transduktion;223
9.3.6;8.3.6 Haarzellen übertragen ihr Signal auf Nervenfasern;225
9.4;8.4 Unsere Hörwelt;227
9.4.1;8.4.1 Schallortung;227
9.4.2;8.4.2 Die Wahrnehmung von Sprache;231
9.4.3;8.4.3 Musik – der direkte Weg zur Emotion;235
9.5;8.5 Die Hörwelt der anderen: Echoortung;238
9.5.1;8.5.1 „Sehen mit den Ohren“;238
9.5.2;8.5.2 Die Kunst der Echoortung;240
9.5.3;8.5.3 Angewandte Physik – die Fledermaus nutzt den Dopplereffekt;244
9.6;8.6 Andere Lösungen: Mit den Knochen hören;246
9.7;Weiterführende Literatur;249
10;9: Orientierung und Navigation;250
10.1;9.1 Wo bin ich?;251
10.2;9.2 Die Orientierung an chemischen Signalen;252
10.3;9.3 Visuelle Orientierung;255
10.3.1;9.3.1 Sonne und Polarstern dienen als Orientierungshilfe;255
10.3.2;9.3.2 Die Detektion von polarisiertem Licht;257
10.4;9.4 Der magnetische Kartensinn;260
10.4.1;9.4.1 Das Magnetfeld der Erde;260
10.4.2;9.4.2 Magnetsinn bei Vögeln;264
10.5;Weiterführende Literatur;271
11;10: Tasten und Fühlen;272
11.1;10.1 Unsere Haut;273
11.2;10.2 Tasthaare;276
11.3;10.3 Schmerz – Warnung und Leid;278
11.4;10.4 Kälte, Wärme, Infrarot;288
11.5;Weiterführende Literatur;292
12;11: Unsere Innenwelt;294
12.1;11.1 Regelkreise organisieren den Körper;295
12.2;11.2 Muskelspindeln;297
12.3;11.3 Der Gleichgewichtssinn;298
12.4;11.4 Ausleuchtung der Innenwelt: Die Endorezeptoren;301
12.5;Weiterführende Literatur;304
13;12: Wahrnehmung;305
13.1;12.1 Was ist Wahrnehmung?;307
13.1.1;12.1.1 Der erste Schritt: Wahrnehmung ist indirekt – unser Gehirn muss die Umwelt deshalb rekonstruieren;308
13.1.2;12.1.2 Der zweite Schritt zur Wahrnehmung: Die Rekonstruktion unserer Umwelt erfolgt nicht „wertfrei“ – unser Gehirn stellt eine Hypothese über die Umwelt auf;309
13.2;12.2 Prinzipien der Objekterkennung;312
13.2.1;12.2.1 Das Gehirn nutzt zur Wahrnehmung von Objekten einfache Prinzipien;312
13.3;12.3 Trennung von Objekt und Hintergrund;317
13.3.1;12.3.1 Unser Gehirn „übertreibt“ beim Trennen von Objekt und Hintergrund;317
13.3.2;12.3.2 Wettstreit der Strategien;318
13.3.3;12.3.3 Scheinkonturen – wir sehen etwas, das gar nicht ist;319
13.4;12.4 Wahrnehmung von Bewegung;320
13.4.1;12.4.1 Bewegung ist einer der wichtigsten Parameter in einer belebten Umwelt;320
13.4.2;12.4.2 Wer bewegt sich – du oder ich?;321
13.5;12.5 Wahrnehmung von Tiefe;324
13.5.1;12.5.1 Wie erzeugt unser Gehirn eine dreidimensionale Wahrnehmung aus einem zweidimensionalen Retinabild?;324
13.5.2;12.5.2 Auch ein zweidimensionales Bild kann Tiefeninformation enthalten;324
13.5.3;12.5.3 Erst das Sehen mit zwei Augen erlaubt die optimale Tiefenwahrnehmung;325
13.5.4;12.5.4 Die Wunderwelt des Stereogramms;327
13.5.5;12.5.5 Zufallspunktbilder – Tiefe aus dem Rauschen;329
13.5.6;12.5.6 Das Pulfrich-Pendel – oder: Täuschung ist die Wahrnehmung einer falschen Hypothese;330
13.6;12.6 Wahrnehmung von Größe;333
13.6.1;12.6.1 Das Prinzip der Größenkonstanz – damit aus Riesen keine Zwerge werden;333
13.6.2;12.6.2 Wenn Kugeln wachsen und schrumpfen – Größenkonstanz beim Pulfrich-Pendel;336
13.7;12.7 Wettstreit der Sinne, Körpertausch, Magie und andere Illusionen;337
13.7.1;12.7.1 Das Gehirn sucht aktiv nach Information;337
13.7.2;12.7.2 Wahrnehmung ist ein Erinnerungsprozess;338
13.7.3;12.7.3 Zur lückenlosen, geordneten Wahrnehmung muss das Gehirn unser Zeitempfinden bei der Wahrnehmung manipulieren;339
13.7.4;12.7.4 Unser Gedächtnis ist die tragende Säule unserer Wahrnehmung;340
13.7.5;12.7.5 „Blinde hören besser als Sehende“ – Mythos oder Wirklichkeit?;343
13.7.6;12.7.6 Ist die Wahrnehmung des eigenen Körpers auch nur ein Konstrukt unseres Gehirns?;344
13.7.7;12.7.7 Wahrnehmung ist abhängig von unserer Aufmerksamkeit;345
13.7.8;12.7.8 Selektive Aufmerksamkeit führt zur Blindheit für andere Reize;347
13.7.9;12.7.9 Aufmerksamkeit verändert die Physiologie des Gehirns;348
13.7.10;12.7.10 Wahrnehmungsexperten der besonderen Art;350
13.7.11;12.7.11 Im Gleichschritt zur Wahrnehmung;351
13.7.12;12.7.12 Was wir von Patienten mit Wahrnehmungsstörungen lernen können;353
13.8;Weiterführende Literatur;355
14;13: Anhang;356
14.1;13.1 Herstellung von Masken;357
14.2;13.2 Die versteckte Maus;357
14.3;13.3 Die Täuschung nach Koffka;358
14.4;13.4 Suchbilder;358
14.5;13.5 Gedankenlesen aus der Ferne;358
15;Glossar;365
16;Stichwortverzeichnis;373