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E-Book

Biologie der Sinne

Vom Molekül zur Wahrnehmung

AutorFrank Müller, Stephan Frings
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2019
Seitenanzahl377 Seiten
ISBN9783662583500
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis26,99 EUR

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.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis5
1: Die Sinne – unsere Fenster zur Welt11
1.1 Wahrnehmung findet im Gehirn statt12
1.1.1 Gefangen in der Maskenwelt12
1.1.2 Das Gehirn, das rätselhafte Organ der Wahrnehmung12
1.2 Wie kommt die Welt in unseren Kopf?14
1.2.1 Von der Sinneszelle zur Wahrnehmung14
1.2.2 Wahrnehmung ist ein Urteilsakt des Gehirns15
1.3 Sinneswelten16
1.3.1 Sinneswelt, die erste!16
1.3.2 Sinneswelt, die zweite!17
1.3.3 Sinneswelt, die dritte!19
1.4 Vom Sinn der Sinne19
2: Die Evolution der Sinne21
2.1 Die Sinne des Menschen und wie er dazu kam22
2.1.1 Wie viele Sinne hat der Mensch?22
2.2 Die Evolution der Sinne24
2.2.1 Die Evolution ist der Motor für die Weiterentwicklung des Lebens24
2.2.2 Das Prinzip der Zucht – die künstliche Auswahl26
2.2.3 Das Prinzip der Evolution – die natürliche Auslese27
2.2.4 Die Eigenschaften unserer Sinnessysteme und die Verarbeitungsstrategien unseres Gehirns sind ein Produkt der Evolution30
2.2.5 Kinder der Evolution34
2.2.6 „Wer hat’s erfunden?“36
2.3 Jeder auf seine Art – die Leistungen unserer Sinne sind höchst unterschiedlich37
2.3.1 Zwei Sinne im Vergleich37
2.3.2 Vom Sinnesreiz zum Verhalten39
Weiterführende Literatur41
3: Die Sprache der Nervenzellen – und wie man sie versteht42
3.1 Labor eines Neurowissenschaftlers44
3.2 Labor 1: Die wunderbare Welt der Nervenzelle46
3.2.1 Nervenzellen sind die Funktionseinheiten des Gehirns46
3.2.2 Aufbau einer Nervenzelle46
3.2.3 Was macht die Nervenzelle zur Nervenzelle?49
3.2.4 Warum können Nervenzellen Signale übertragen?53
3.3 Labor 2: Von Ionen und Membranen – wie Nervenzellen eine elektrische Spannung aufbauen54
3.3.1 Ionen sind die Grundlage für elektrische Signale in Nervenzellen54
3.3.2 Ionenpumpen bauen Unterschiede zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung auf56
3.3.3 Ionenkanäle sind elektrische Schalter in der Zellmembran57
3.4 Labor 3: Aktionspotenziale sind die Sprache unseres Nervensystems60
3.4.1 Die Membranspannung spiegelt die Aktivität einer Nervenzelle wider60
3.4.2 Aktionspotenziale leiten Signale über lange Strecken61
3.5 Labor 4: Wie Nervenzellen Information austauschen67
3.5.1 Synapsen übertragen die Information chemisch67
3.6 Labor 5: Wie man mit Nervenzellen einen Hochleistungsrechner baut70
3.6.1 Die Grundlagen des neuronalen Rechnens: Konvergenz und Divergenz, Erregung und Hemmung70
3.6.2 Der Rechner in der Nervenzelle73
3.6.3 Die schreckhafte Maus oder die Rückwärtshemmung als Notbremse75
Weiterführende Literatur76
4: Von der Sinneszelle zum Gehirn77
4.1 Vom Reiz zum elektrischen Signal – die Signalwandlung78
4.1.1 Eine komplizierte Aufgabe78
4.1.2 Sinneszellen besitzen ein spezialisiertes Außensegment78
4.1.3 Die einfachste Art der Signalwandlung: Rezeptor und Ionenkanal sind in einem Protein zusammengefasst79
4.1.4 Signalwandlung mit dem Baukastensystem – die G-Protein-gekoppelte Signalkaskade80
4.2 Adaptation84
4.2.1 Sinneszellen passen sich an die Umgebung an – sie adaptieren84
4.3 Codierung der Sinnesinformation85
4.3.1 Sinnesreize werden in der Abfolge von Aktionspotenzialen codiert und an das Gehirn geschickt85
4.4 Die geordnete Verschaltung der Sinnesinformation86
4.4.1 Ordnung im Strom der Sinnesinformation86
4.4.2 Ordnung auf höchster Ebene – die topografische Abbildung89
4.4.3 Die Sinnesinformation wird gefiltert89
Weiterführende Literatur90
5: Schmecken91
5.1 Vom Sinn des Schmeckens92
5.2 Geschmackszellen überprüfen die Nahrung94
5.3 Sauer und salzig: Ionenkanäle auf der Zunge94
5.4 Bittere Gifte99
5.5 Köstlicher Geschmack: Süß und umami102
5.6 Der „Scharfgeschmack“ ist eigentlich ein Schmerzreiz104
5.7 Die Geschmacksempfindung106
5.8 Andere Lösungen107
Weiterführende Literatur108
6: Riechen109
6.1 Die Vielfalt der Gerüche ist grenzenlos110
6.2 Riechzellen in der Nase detektieren Duftstoffe111
6.3 Im Gehirn entstehen Geruchsbilder118
6.4 Bleib jung! Das Riechsystem erneuert sich selbst120
6.5 Das Riechen mit Zilien120
6.6 Pheromone organisieren das Sozialleben122
6.7 Was uns an Gerüchen interessiert127
6.8 Leben, ohne zu riechen131
Weiterführende Literatur131
7: Sehen132
7.1 Augen auf – und dann?135
7.1.1 Ball, Satz und Sieg!135
7.1.2 Betrachten wir die Sache mit dem Sehen mal bei Licht …135
7.1.3 Was wir in diesem Kapitel sehen werden137
7.1.4 Was ist eigentlich Licht?138
7.2 Das Auge139
7.2.1 „Ich seh dir in die Augen, Kleines!“139
7.2.2 Auf den ersten Blick ähnelt unser Auge einer Kamera141
7.2.3 Nur im winzigen Zentrum unseres Bildfeldes sehen wir wirklich scharf144
7.2.4 Die Verteilung der Photorezeptoren erfolgt als Anpassung an die Lebensweise149
7.2.5 Wer hat die schärfsten Augen?150
7.3 Wie unsere Photorezeptoren Licht in die Sprache des Nervensystems übersetzen – die Phototransduktion153
7.3.1 Das Außensegment ist die lichtempfindliche Antenne des Photorezeptors153
7.3.2 Der erste Schritt beim Sehen: Ein Farbstoffmolekül im Photorezeptor absorbiert das Lichtquant155
7.3.3 Die elektrische Lichtantwort unserer Photorezeptoren ist außergewöhnlich156
7.3.4 Unsere Photorezeptoren – die etwas anderen Zellen158
7.3.5 Ein Stäbchen kann zwar auf ein Lichtquant reagieren, wahrnehmen können wir ein einzelnes Lichtquant aber nicht161
7.3.6 Besser als jeder fotografische Film: Die Anpassungsleistung der Netzhaut161
7.3.7 Immer in Bewegung bleiben – wie Mikrosakkaden unsere Wahrnehmung stabilisieren164
7.4 Farbensehen165
7.4.1 Drei Sehpigmente in den Zapfen ermöglichen uns das Farbensehen165
7.4.2 Die trichromatische Theorie der Farbwahrnehmung169
7.4.3 Farbsehstörungen169
7.4.4 Die Evolution des Farbensehens170
7.5 Die Retina – der Rechner im Auge173
7.5.1 Die Netzhaut besteht nicht nur aus Photorezeptoren173
7.5.2 Die Information wird im retinalen Netzwerk weiterverarbeitet174
7.5.3 Die Sprache der Ganglienzellen176
7.5.4 Vorteil eins: Objekttrennung durch Kontrastverschärfung!178
7.5.5 Vorteil zwei: Die Informationsflut wird reduziert180
7.5.6 Vorteil drei: Unabhängig werden von der Beleuchtung181
7.5.7 Wie die Antwort im Zentrum des rezeptiven Feldes erzeugt wird185
7.5.8 Wie die Retina durch laterale Hemmung rezeptive Felder erzeugt185
7.5.9 Ganglienzellen sind neuronale Filter187
7.5.10 Auf ins Gehirn!191
7.6 Eine Reise durch das Sehsystem191
7.6.1 Von der Retina bis zur primären Sehrinde191
7.6.2 Die Sehrinde ist hochorganisiert194
7.6.3 Die meisten rezeptiven Felder in der primären Sehrinde reagieren auf Kanten und Linien195
7.6.4 Jenseits der primären Sehrinde199
7.6.5 Der dorsale Pfad: Die Wo-wie-wohin-Bahn200
7.6.6 Der ventrale Pfad: die Was-Bahn201
7.6.7 Wo, bitte, geht’s zur Großmutterzelle?203
7.6.8 Andere Lösungen: Komplexaugen205
Weiterführende Literatur208
8: Hören209
8.1 Bei Nacht im Kreidewald210
8.2 Schall hören211
8.2.1 Von der Schallquelle in das Ohr211
8.2.2 Die Vielfalt des Hörens: Töne, Klänge, Geräusche213
8.3 Cochlea – die tonotope Hörschnecke214
8.3.1 Resonanz und Wanderwellen214
8.3.2 Aufbau der Cochlea215
8.3.3 Der Verstärker des Corti-Organs217
8.3.4 Innere Haarzellen – empfindlicher geht es nicht219
8.3.5 Die mechanoelektrische Transduktion223
8.3.6 Haarzellen übertragen ihr Signal auf Nervenfasern225
8.4 Unsere Hörwelt227
8.4.1 Schallortung227
8.4.2 Die Wahrnehmung von Sprache231
8.4.3 Musik – der direkte Weg zur Emotion235
8.5 Die Hörwelt der anderen: Echoortung238
8.5.1 „Sehen mit den Ohren“238
8.5.2 Die Kunst der Echoortung240
8.5.3 Angewandte Physik – die Fledermaus nutzt den Dopplereffekt244
8.6 Andere Lösungen: Mit den Knochen hören246
Weiterführende Literatur249
9: Orientierung und Navigation250
9.1 Wo bin ich?251
9.2 Die Orientierung an chemischen Signalen252
9.3 Visuelle Orientierung255
9.3.1 Sonne und Polarstern dienen als Orientierungshilfe255
9.3.2 Die Detektion von polarisiertem Licht257
9.4 Der magnetische Kartensinn260
9.4.1 Das Magnetfeld der Erde260
9.4.2 Magnetsinn bei Vögeln264
Weiterführende Literatur271
10: Tasten und Fühlen272
10.1 Unsere Haut273
10.2 Tasthaare276
10.3 Schmerz – Warnung und Leid278
10.4 Kälte, Wärme, Infrarot288
Weiterführende Literatur292
11: Unsere Innenwelt294
11.1 Regelkreise organisieren den Körper295
11.2 Muskelspindeln297
11.3 Der Gleichgewichtssinn298
11.4 Ausleuchtung der Innenwelt: Die Endorezeptoren301
Weiterführende Literatur304
12: Wahrnehmung305
12.1 Was ist Wahrnehmung?307
12.1.1 Der erste Schritt: Wahrnehmung ist indirekt – unser Gehirn muss die Umwelt deshalb rekonstruieren308
12.1.2 Der zweite Schritt zur Wahrnehmung: Die Rekonstruktion unserer Umwelt erfolgt nicht „wertfrei“ – unser Gehirn stellt eine Hypothese über die Umwelt auf309
12.2 Prinzipien der Objekterkennung312
12.2.1 Das Gehirn nutzt zur Wahrnehmung von Objekten einfache Prinzipien312
12.3 Trennung von Objekt und Hintergrund317
12.3.1 Unser Gehirn „übertreibt“ beim Trennen von Objekt und Hintergrund317
12.3.2 Wettstreit der Strategien318
12.3.3 Scheinkonturen – wir sehen etwas, das gar nicht ist319
12.4 Wahrnehmung von Bewegung320
12.4.1 Bewegung ist einer der wichtigsten Parameter in einer belebten Umwelt320
12.4.2 Wer bewegt sich – du oder ich?321
12.5 Wahrnehmung von Tiefe324
12.5.1 Wie erzeugt unser Gehirn eine dreidimensionale Wahrnehmung aus einem zweidimensionalen Retinabild?324
12.5.2 Auch ein zweidimensionales Bild kann Tiefeninformation enthalten324
12.5.3 Erst das Sehen mit zwei Augen erlaubt die optimale Tiefenwahrnehmung325
12.5.4 Die Wunderwelt des Stereogramms327
12.5.5 Zufallspunktbilder – Tiefe aus dem Rauschen329
12.5.6 Das Pulfrich-Pendel – oder: Täuschung ist die Wahrnehmung einer falschen Hypothese330
12.6 Wahrnehmung von Größe333
12.6.1 Das Prinzip der Größenkonstanz – damit aus Riesen keine Zwerge werden333
12.6.2 Wenn Kugeln wachsen und schrumpfen – Größenkonstanz beim Pulfrich-Pendel336
12.7 Wettstreit der Sinne, Körpertausch, Magie und andere Illusionen337
12.7.1 Das Gehirn sucht aktiv nach Information337
12.7.2 Wahrnehmung ist ein Erinnerungsprozess338
12.7.3 Zur lückenlosen, geordneten Wahrnehmung muss das Gehirn unser Zeitempfinden bei der Wahrnehmung manipulieren339
12.7.4 Unser Gedächtnis ist die tragende Säule unserer Wahrnehmung340
12.7.5 „Blinde hören besser als Sehende“ – Mythos oder Wirklichkeit?343
12.7.6 Ist die Wahrnehmung des eigenen Körpers auch nur ein Konstrukt unseres Gehirns?344
12.7.7 Wahrnehmung ist abhängig von unserer Aufmerksamkeit345
12.7.8 Selektive Aufmerksamkeit führt zur Blindheit für andere Reize347
12.7.9 Aufmerksamkeit verändert die Physiologie des Gehirns348
12.7.10 Wahrnehmungsexperten der besonderen Art350
12.7.11 Im Gleichschritt zur Wahrnehmung351
12.7.12 Was wir von Patienten mit Wahrnehmungsstörungen lernen können353
Weiterführende Literatur355
13: Anhang356
13.1 Herstellung von Masken357
13.2 Die versteckte Maus357
13.3 Die Täuschung nach Koffka358
13.4 Suchbilder358
13.5 Gedankenlesen aus der Ferne358
Glossar365
Stichwortverzeichnis373

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