Wer einen Apfel anfaßt, fühlt ihn in seiner Hand. Wer hineinbeißt, schmeckt ihn im Mund und riecht ihn in der Nase. Aber wo “sieht” er das Bild des Apfels, wenn er ihn betrachtet? Beim Sehen haben wir keinen direkten Kontakt mit den Dingen, die uns umgeben – wir “fühlen” das Auge nicht sehen. Außerdem findet Sehen viel tiefer im Körper statt als die anderen Wahrnehmungen. Die Nervenenden, die es uns ermöglichen, den Apfel zu fühlen, liegen nur Bruchteile von Millimetern unter der Hautoberfläche. Die Rezeptoren, die die Moleküle des Apfels in Geschmacks- und Geruchsempfindungen umwandeln, liegen auf der Oberfläche der Zunge und der Nasenschleimhaut. Beim Sehen aber wird das Licht erst von der Netzhaut aufgenommen, nachdem es den langen Weg im Auge durch die Hornhaut, den Wasserkörper, die Linse und schließlich den Glaskörper zurückgelegt hat. Wir halten es für selbstverständlich, daß Licht von der Außenwelt bis zur Netzhaut vordringen kann. Aber das bedeutet, daß die Gewebe, die vor der Netzhaut liegen, durchsichtig sein müssen – und durchsichtige Gewebe sind in der belebten Natur sehr selten. Bei den wenigen Tieren, die teilweise oder vollständig durchsichtig sind, enthalten entweder die transparenten Teile keine lichtabsorbierenden Farbstoffe, oder sie sind relativ dünn oder sie bestehen aus einem sehr lockeren Gewebe. Viele Einzeller etwa, aber auch Kleinkrebse und Fischlarven, erscheinen unter dem Mikroskop durchsichtig – allerdings nur, solange man die Tiere einzeln betrachtet. Liegen mehrere aufeinander, nimmt die Transparenz schnell ab. Auf dem Weg des Lichts wird die Zahl der störenden Teilchen größer, die meisten Photonen werden gestreut oder absorbiert, der Tierhaufen erscheint trübe. Dasselbe Phänomen gilt für die hauchdünnen Flügel der Insekten: Fünf einzeln glasklar erscheinende Bienenflügel lassen übereinandergelegt nur noch ein braungelbes Restlicht passieren.
Quallen können zwar über zwei Meter groß und meterdick werden, trotzdem sind sie größtenteils transparent (bild der wissenschaft 4/1999, “Glibberige Grazien”). Sie bestehen aber zu über 98 Prozent aus Wasser. Es gibt in ihnen also nur wenig Gewebe, das Licht schlucken oder streuen kann. Beide Phänomene – Transparenz aufgrund dünner Schichten und aufgrund eines großen Wasseranteils – findet man auch im Auge. Der Glaskörper, der zwischen Linse und Netzhaut liegt, ist etwa zwei Zentimeter dick, besteht aber aus einer zellfreien, geleeartigen Substanz mit einem Wasseranteil von 99 Prozent. Die Hornhaut besteht zwar nur zu etwa 65 Prozent aus Wasser. Sie ist aber auch nur etwa 10 Zellschichten dick. Der Rest ist aus Kollagenfasern aufgebaut, die so angeordnet sind, daß sie das durchfallende Licht nicht behindern. Die einzigartige Ausnahme unter allen lebenden transparenten Geweben ist die Linse des Auges. Mit einer Dicke von 5 bis 15 Millimetern kann sie das Licht nicht einfach passieren lassen wie ein Insektenflügel. Der größte Teil des Ohres beispielsweise ist viel dünner als die Linse, aber nicht durchsichtig. Auch der Anteil an Wasser in der Linse ist zu gering, um die Transparenz wie bei Quallen zu erklären. Ganz im Gegenteil: Linsen enthalten bis zu 60 Prozent Eiweiß, mehr als andere Gewebe wie Muskeln, Knorpel oder Knochen. Wieso ist die Linse also durchsichtig? Weil ihre Zellstruktur im Ganzen und die molekulare Zusammensetzung im Inneren der einzelnen Zellen einzigartig ist. In anderen Geweben des Körpers sind Anordnung und Orientierung der Zellen im wesentlichen chaotisch. Chaos auf der zellulären Ebene bedeutet, daß ein Lichtstrahl unter vielen verschiedenen Winkeln auf die Grenzen zwischen den Zellen – die Plasmamembranen – trifft. Diese Membranen haben einen anderen Brechungsindex als das Zellinnere, das Zytoplasma. Wenn Licht durch ein Objekt mit mehrmals variierendem Brechungsindex fällt, wird es gestreut, das Objekt erscheint trüb. Deswegen kann man durch die anderen Organe im menschlichen Körper nicht hindurchschauen.
In der Linse dagegen sind die Zellen sehr regelmäßig angeordnet. Im Gegensatz zu anderen Organen hat sie kein stützendes Bindegewebe, keine Nerven und kein Blutgefäßsystem (siehe Kasten links “Lebendige Lichtleiter”). Statt dessen sind die Zellen der Linse durch Abermillionen kleiner Proteinkanäle verbunden. Durch sie werden Nähr- und Abfallstoffe transportiert. Die Linse besteht somit nur aus einem einzigen Typ von Zellen, den Faserzellen. Sie erhielten ihren Namen wegen ihrer extrem langgestreckten, bandartigen Form. Ähnlich wie eine Zwiebel besteht die Linse aus konzentrischen Schalen von Faserzellen – bis zu 1000 Schalen pro Linse. In jeder Schale laufen die Zellen wie Längengrade auf einem Globus von einem Pol der Linse bis zum anderen. Bei großen Lebewesen wie Menschen oder Pferden können sie mehr als einen Zentimeter lang werden. Gleichzeitig sind sie beim Menschen nur 0,01 Millimeter breit und nur 0,0045 Millimeter dick. Beim gleichen Verhältnis von Dicke und Länge wäre der Zeigefinger etwa 40 Meter lang. Im Querschnitt sehen Faserzellen abgeflacht sechseckig aus – ein bißchen wie gequetschte Bienenwaben -, und ihre langen Zelloberflächen stehen senkrecht zum eintreffenden Licht. Diese Form ermöglicht nicht nur eine besonders stabile Packung der Zellen in der Linse, sie hält auch die Streuung des Lichts minimal. Um die Anordnung der Zellen bei Formänderungen der Linse zu bewahren – zum Beispiel bei der Umstellung von Nah – auf Fernsicht -, sind sie eng miteinander verbunden. Wie die Zähne von Puzzlesteinen greifen Hunderte von zackigen Ausbuchtungen ineinander und verhindern, daß die Zellen sich gegeneinander verschieben oder voneinander lösen. Wenn das doch geschieht, geht die Ordnung verloren, die Linse trübt sich (siehe Kasten auf der nächsten Seite “Plastiklinsen gegen Grauen Star”). Die präzise Anordnung der Faserzellen und das Fehlen von Blutgefäßen, Nerven und Bindegewebe sind zwar unbedingt notwendig für eine transparente Linse, reichen aber noch nicht aus.
Das Innere anderer Zellen besteht aus einer verwirrenden Anhäufung von Organellen: Aus dem Zellkern mit dem Erbgut, aus energieliefernden Mitochondrien sowie aus einer Vielzahl von verschiedenen Vesikeln (Bläschen) und Tubuli (Röhren). Für die Linse wären Organellen ein Problem – denn die haben wie die Zellen selbst wieder eine Membran, an der das Licht gestreut wird. Im Gegensatz zu den Zellen können die Organellen nicht regelmäßig ausgerichtet werden: Die Streuung des Lichts läßt sich also nicht durch Ordnung minimieren. Deshalb werden die Organellen der Linse während der Embryonalentwicklung zerstört. Das aber ist eigentlich gegen die Natur: Zellen leiten normalerweise schon bei geringen Schäden an ihrem Erbgut oder ihren Organellen einen unwiderruflichen Prozeß ein, den programmierten Zelltod. Sie lösen sich selbst auf, um den Rest des Organismus vor Schaden zu schützen. Linsenzellen aber schädigen ihre Organellen nicht nur, während sie heranwachsen, sie beseitigen sie sogar vollständig. Trotzdem überleben sie und funktionieren ein Leben lang. Andere Körperzellen dagegen werden regelmäßig ersetzt: rote Blutkörperchen nach wenigen Monaten, Haut- und Darmzellen sogar schon nach Tagen. Auch wenn die Linsenzellen den Verlust ihrer Organellen überleben, so hat der doch drastische Konsequenzen. Mit den Mitochondrien verlieren die Zellen ihre größte Energiequelle. Und ohne den Zellkern mit seinen genetischen Programmen fehlt ihnen auch die Möglichkeit, sich selbst zu reparieren. Das ist ein Problem für Zellen, die 100 Jahre alt werden können. Die Fähigkeit, beschädigte Teile kontinuierlich auszutauschen, ist sonst gerade einer der größten Vorteile von biologischen Systemen. Sichtbar wird die Selbstreparatur beispielsweise bei der Wundheilung, aber sie ist noch viel wichtiger auf der molekularen Ebene, wo etwa Sonnenstrahlenschäden repariert werden müssen. Die Moleküle, aus denen Zellen bestehen, existieren normalerweise ein paar Minuten bis zu mehreren Tagen. Binnen vier Monaten sind 90 Prozent der Moleküle, die unseren Körper aufbauen, durch neue ersetzt worden. In den Faserzellen der Linse ist der Austausch nicht mehr möglich, und die Moleküle, aus denen sie bestehen, müssen bis zum Tod des Menschen aushalten. Den Linsenzellen kommt dabei zugute, daß ihr Stoffwechsel nach dem Verlust der Organellen stark reduziert ist. Weil etliche aggressive Substanzen gerade während des normalen Zellstoffwechsels entstehen, fällt damit eine Hauptquelle für solche schädlichen Stoffe weg. Darüber hinaus enthalten Faserzellen hohe Konzentrationen von Molekülen, die aggressive Substanzen unschädlich machen, wenn sie doch einmal entstehen – beispielsweise durch UV-Licht oder chronisch erhöhten Blutzucker. Aus diesem Grund sind Diabetes und längere Aufenthalte im Gebirge mit einem erhöhten Risiko verbunden, den Grauen Star zu bekommen.
Nachdem die Faserzellen ihre Organellen eliminiert haben, ist ihr Inneres eine homogene Lösung von spezialisierten Proteinen, den sogenannten Kristallinen. Diese Kristalline sind hochkonzentriert, so daß das Faserzellplasma extrem dickflüssig ist. Da der Brechungsindex in der Kristallinlösung überall gleich ist, wird Licht vom Zellplasma nur minimal gestreut, die Linsenzellen sind durchsichtig. Zusätzlich zu ihrer Funktion, Zellen transparent zu machen, sind die Kristalline noch für zwei weitere wichtige Eigenschaften der Linse verantwortlich. Zum einen geben sie ihr die hohe Brechkraft, die das Fokussieren von Lichtstrahlen auf der Netzhaut ermöglicht. Zum anderen helfen Kristalline, Linsenproteine vor Schaden zu bewahren und verlängern so die Lebensdauer der Linse. Entzieht man der Linse allerdings Wasser, beispielsweise wenn der Körper austrocknet, weil der Mensch zu wenig trinkt, klumpen die hochkonzentrierten Kristalline zusammen. Der Brechungsindex im Zytoplasma ist dann an den Proteinklumpen und an dem sie umgebenden wässerigen Milieu verschieden. Als Folge nimmt die Streuung des Lichts zu, die betroffene Region der Linse trübt sich. Die Transparenz der Linse ist also das Ergebnis einer ungewöhnlichen Form und Anordnung der Faserzellen, von molekularen Selbstreinigungskräften und einer hohen Konzentration besonderer Moleküle, der Kristalline. Wenn auch nur eine dieser Spezialisierungen verlorengeht, wird die Linse trübe. Schon Antoine de Saint-Exupéry schrieb in seinem Roman “Der Kleine Prinz”: “Das Wesentliche ist unsichtbar für die Augen” – genau wie die Linsen, durch die Sie diesen Artikel lesen.
Lebendige Lichtleiter
Die Augenlinse besteht fast ausschließlich aus langen, bandförmigen Faserzellen. Nur die vordere Oberfläche der Linse ist mit einer einzigen Schicht unspezialisierter Zellen bedeckt. Wie die Blätter einer Zwiebel sind die Faserzellen in konzentrischen Schalen angeordnet. Die ältesten Faserzellen finden sich im Zentrum der Linse. Die nach außen immer jünger werdenden Schalen entstehen, indem sich während der Embryonalentwicklung immer neue Faserzellen auf schon vorhandene legen. Neue Faserzellen werden am Äquator der Linse gebildet. Dort strecken sich anfangs noch unspezialisierte Linsenzellen, bis sie von einem Linsenpol zum anderen reichen. Während der Strekkung zerstören sie ihre Organellen und produzieren spezialisierte Eiweiße, die lichtdurchlässigen Kristalline. Umschlossen sind die Linsenzellen von einer elastischen Linsenkapsel. Sie gibt der Linse ihre Form und hält sie an ihrem Platz hinter der Pupille fest.
Die Welt mit alten Augen sehen
Neben Katarakten kann noch eine andere Veränderung der Linse das Sehvermögen beeinträchtigen: eine Häufung von Molekülen, die blaues und grünes Licht absorbieren und der Linse eine gelblich-braune Färbung geben. Vergilbung und Grauer Star hängen nicht ursächlich zusammen, beide Phänomene nehmen jedoch mit dem Alter zu. Die gelbliche Färbung vermindert die Fähigkeit, die Farben am blauen Ende des Spektrums wahrzunehmen – die Welt erscheint in rötlich-gelbes Licht getaucht. Die Bilder des französischen Malers Claude Monet sind ein eindrucksvolles Beispiel, wie sich die Vergilbung und der Graue Star auf die Wahrnehmung auswirken. Beide Bilder (unten) zeigen die japanische Brücke im Garten des Malers bei Giverny. Das linke Bild malte Monet im Jahr 1899, neun Jahre bevor sich in seinen beiden Augen erstmals Katarakte bemerkbar machten. Das rechte Bild stammt aus der Zeit um 1920. Im Vergleich zum früheren Bild zeigt es viel weniger Details und Kontraste, eine Folge des Grauen Stars. Zudem ist wegen der fortschreitenden Vergilbung der Linse eine deutliche Verschiebung der Farben zum roten Ende des Spektrums zu erkennen.
Plastik gegen den Grauen Star
Die Trübung der Augenlinse – der “Graue Star” oder Katarakt – ist eine der häufigsten Erkrankungen von Menschen über 60 und verantwortlich für fast die Hälfte aller Erblindungen. Weltweit haben zwischen 16 und 20 Millionen Menschen ihr Sehvermögen aufgrund von Katarakten verloren, und jährlich kommen schätzungsweise eine Million hinzu – inzwischen jedoch fast ausschließlich in Entwicklungsländern, wo moderne Behandlungsmethoden fehlen. Doch auch in den industrialisierten Ländern, wo getrübte Linsen operativ entfernt werden, sind Katarakte ein Problem, nicht nur ein persönliches, sondern auch ein wirtschaftliches. Jedes Jahr wird allein in Deutschland etwa eine Milliarde Mark für rund 300000 Kataraktoperationen ausgegeben. Die Summe wird mit der älter werdenden Bevölkerung noch steigen. Katarakte entstehen, wenn die Anordnung der Zellen in der Linse zerstört wird oder wenn die Moleküle im Zellinneren verklumpen. Neben mechanischen Verletzungen der Linse – etwa durch Schläge – sind Diabetes, starke Hitze (Glasbläserstar), UV-Strahlung und Entzündungen des Auges die Ursachen von Katarakten. Die meisten Katarakte entstehen jedoch aufgrund einer Häufung von vielen kleinen Schäden über Jahrzehnte und bilden sich deshalb verstärkt ab etwa 60 Jahren. Das erste Symptom eines Katarakts ist eine langsam abnehmende Sehschärfe. Der Patient hat den Eindruck, als hätte sich ein trüber Film auf das Auge gelegt – ähnlich einem Fettfleck auf der Brille. Die allmählich stärkere Streuung des Lichts blendet immer mehr. Gleichzeitig werden Kontraste schwächer wahrgenommen, außerdem verschlechtert sich das Farb- und Detailsehen. Die Entwicklung von Katarakten kann bis heute mit Medikamenten weder gestoppt noch umgekehrt werden. Sobald ein Katarakt so weit fortgeschritten ist, daß er das Sehvermögen einschränkt, wird die Linse entfernt. Der Arzt öffnet dazu den vorderen Teil der Linsenkapsel und saugt die Linsenzellen mit einem Röhrchen ab. In die leere Kapsel setzt er eine Kunststofflinse. Eine solche Operation dauert im allgemeinen nur 30 Minuten. Häufig bleiben jedoch einige Linsenzellen beim Absaugen in der Kapsel haften. In den nächsten Jahren vermehren sie sich wieder. Im Gegensatz zu den ursprünglichen Linsenzellen bilden sie ungeordnete Haufen, die das Licht auf seinem Weg zur Netzhaut streuen: Ein neuer Katarakt, ein sogenannter Nachstar, hat sich gebildet. 25 bis 30 Prozent der Operierten erleiden diesen Nachstar, was eine erneute Operation nötig macht. Ein Ziel der modernen Augenforschung ist deshalb, die Vermehrung der übriggebliebenen Linsenzellen nach der Staroperation zu verhindern.
Ralf Dahm
