Dreifarbentheorie und Gegenfarbentheorie: der Unterschied, und was Young, Helmholtz und Hering wirklich schrieben

Die Dreifarbentheorie sagt: Das Farbensehen beginnt mit drei Arten von Rezeptoren, und jede Art reagiert am stärksten auf einen anderen Teil des Spektrums. Die Gegenfarbentheorie sagt: Das Sehsystem verarbeitet Farben in Gegensatzpaaren, nämlich Rot gegen Grün, Gelb gegen Blau und Weiß gegen Schwarz. Die beiden Theorien widersprechen sich nicht. Die drei Zapfentypen in der Netzhaut bestätigen die Dreifarbentheorie. Spätere Stufen vergleichen die Signale der Zapfen, und die Gegenfarbentheorie beschreibt das Ergebnis. Darum sieht keine Farbe rötlich-grün aus, und darum hat ein negatives Nachbild die Gegenfarbe.

Viele Lernzettel verkürzen die beiden Theorien auf zwei Formeln: „Rot-, Grün- und Blau-Zapfen“ und „Rot-Grün-, Blau-Gelb- und Schwarz-Weiß-Zellen“. Beide Formeln sind Vereinfachungen. Drei der wichtigsten Grundtexte sind deutsch, nämlich die von Helmholtz, Hering und von Kries. Deutsche Nachschlagewerke zitieren sie aber selten. Hier findest du die beiden Theorien in den Worten ihrer Autoren, die Messungen, die den alten Streit beendet haben, und die Details, die in den Formeln fehlen.

• Thomas Young schlug 1802 drei Rezeptorarten vor. Zuerst wählte er Rot, Gelb und Blau. In einer zweiten Arbeit im selben Jahr änderte er das in Rot, Grün und Violett.
• Hermann von Helmholtz schrieb, drei Grundfarben könnten „immer nur subjective Bedeutung haben“, und ihre Wahl habe „zunächst etwas Willkührliches“.
• Ewald Hering ging vom Aussehen der Farben aus: Rot und Grün erscheinen nie zusammen in einer Farbe, Gelb und Blau auch nicht. Warum das so ist, konnte er nach eigenen Worten nicht sagen.
• Den deutschen Namen für die Verbindung beider Theorien, Zonentheorie, prägte Johannes von Kries 1905. Leo Hurvich und Dorothea Jameson formulierten 1957 ein ähnliches Zwei-Stufen-Modell, das im Englischen als dual process theory bekannt ist.
• Die echten Zapfen sind keine „Rot-, Grün- und Blau-Zapfen“. Der langwellige Zapfen reagiert am stärksten auf Licht von etwa 563 nm, also auf gelblich-grünes Licht.
• Die Gegenfarbenzellen, die Forscher messen, passen nicht genau zu Herings vier reinen Farben. Diese Frage ist noch offen.

Der Unterschied in einer Tabelle

Die Dreifarbentheorie: drei Arten von Rezeptoren

Thomas Young, ein britischer Arzt und Physiker, stellte die Idee in seiner Bakerian Lecture vor. Er las sie im November 1801 vor der Royal Society, gedruckt wurde sie 1802. Young argumentierte, dass nicht jeder Punkt der Netzhaut für jede Wellenlänge ein eigenes Teilchen enthalten kann. Darum müsse man die Zahl begrenzen, „for instance, to the three principal colours, red, yellow, and blue“. Jede empfindliche Nervenfaser bestehe vielleicht aus „three portions, one for each principal colour“ (Young, 1802a, S. 20–21).

Noch im selben Jahr änderte Young seine Farbwahl. In einer zweiten Arbeit, vorgelesen im Juli 1802, korrigierte er die Annahme aus seiner letzten Bakerian Lecture. Er setzte nun „red, green, and violet“ an die Stelle von „red, yellow, and blue“ (Young, 1802b, S. 395). Die bekannte Idee von roten, grünen und blauen Rezeptoren ist also nicht Youngs erste Fassung.

Hermann von Helmholtz übernahm Youngs Idee in der Ausgabe seines Handbuchs der physiologischen Optik von 1860. Das schreiben Steven Shevell und Paul Martin in einem Übersichtsartikel von 2017. In der Gesamtausgabe von 1867 machte Helmholtz klar, dass die drei Grundfarben eine Eigenschaft des Auges sind, nicht des Lichts: „Eine Reduction der Farben auf drei Grundfarben kann immer nur subjective Bedeutung haben, es kann sich nur darum handeln, die Farbenempfindungen auf drei Grundempfindungen zurückzuführen“ (Helmholtz, 1867, S. 291). In seiner Darstellung von Youngs Theorie gibt es drei Arten von Nervenfasern für Roth, Grün und Violett. Jede Spektralfarbe erregt dabei alle drei Arten, „aber die einen schwach die anderen stark“. Die Wahl der drei Farben hatte für Helmholtz „zunächst etwas Willkührliches“ (S. 292).

Die Belege für die Theorie kamen aus Versuchen zur Farbmischung. Das APA Dictionary of Psychology fasst sie so zusammen: In diesen Versuchen ließ sich jeder Farbton durch eine Mischung aus drei Grundfarben nachstellen (APA Dictionary, trichromatic theory). Einen Zelltyp nannte die Theorie zuerst nicht. Das APA Dictionary schreibt, die Komponenten gelten heute als Zapfen der Netzhaut, aber die ursprüngliche Theorie war an keinen bestimmten Zelltyp gebunden (APA Dictionary, Young–Helmholtz theory).

Was die drei Zapfen wirklich messen

1980 maßen Bowmaker und Dartnall die Lichtabsorption einzelner Stäbchen und Zapfen aus der Netzhaut eines Mannes (Bowmaker & Dartnall, 1980). Sie fanden drei Klassen von Zapfen.

Die Zahlen zeigen, warum „Rot-, Grün- und Blau-Zapfen“ nur eine Bezeichnung ist. Die Maxima von L und M liegen nur etwa 30 nm auseinander, und der L-Zapfen reagiert am stärksten auf gelblich-grünes Licht, nicht auf rotes. Das APA Dictionary schreibt, die Maxima entsprechen den Farben Blau, Grün und Rot nur „roughly“, also ungefähr. Fachleute sprechen darum lieber von S-, M- und L-Zapfen. Deutsche Nachschlagewerke nutzen meist die Farbnamen. Das Spektrum Lexikon der Psychologie nennt „drei Arten von Zapfen für die Farben Rot, Grün, Blau“ (Spektrum, 2000). Das DocCheck Flexikon spricht von Blau-, Grün- und Rot-Zapfen (DocCheck, 2025).

Die Gegenfarbentheorie: Farben in Gegensatzpaaren

Ewald Hering, ein deutscher Physiologe, war 1874 Professor für Physiologie an der deutschsprachigen Universität in Prag. Dort entwickelte er seine Theorie, und Shevell und Martin datieren sie auf 1874. Seine Mitteilungen an die Akademie der Wissenschaften in Wien sammelte Hering 1878 im Buch Zur Lehre vom Lichtsinne.

Hering ging vom Aussehen der Farben aus, nicht von der Farbmischung. Er nannte vier Farben, die ohne Beimischung einer anderen Farbe vorkommen können: Rot, Gelb, Grün und Blau. Heute heißen sie Urfarben. Diese vier Farben könne man „mit vollem Rechte, wie dies schon Leonardo da Vinci that, als einfache oder Grundfarben bezeichnen“ (Hering, 1878, S. 109). In einer Fußnote stellte er klar: „Dieses reine Roth entspricht nicht dem Spectralroth, welches gelblich ist“ (S. 108). Orange dagegen sieht aus wie eine Mischung aus Rot und Gelb, Violett wie eine Mischung aus Rot und Blau.

Manche Mischungen kommen aber nie vor. Hering schrieb, „daß einerseits Roth und Grün, andererseits Gelb und Blau nie gleichzeitig in einer Farbe deutlich bemerkbar sind“ (S. 109). Die Gründe kannte er nicht: „Warum sich dies so verhält, ist von vornherein nicht einzusehen, aber es ist so.“ Und weiter: „Eine Antwort hierauf ist vorerst unmöglich.“ Er schloss die verbotenen Mischungen auch nicht aus. Es sei „ganz gut denkbar“, dass man einmal Bedingungen findet, unter denen eine aus Rot und Grün gemischte Empfindung entsteht (S. 110). Den Namen erklärte er so: Er wolle die Paare „wegen ihres sozusagen feindseligen Verhaltens zu einander Gegenfarben nennen“. Weiß und Schwarz bildeten das dritte Paar.

Als Mechanismus nahm Hering drei Sehsubstanzen an. Das Dorsch Lexikon der Psychologie fasst es so zusammen: Wenn die Substanz zerfällt (Dissimilierung), entstehen die Empfindungen Weiß, Gelb und Rot. Wenn sie sich aufbaut (Assimilierung), entstehen Schwarz, Blau und Grün. Dorsch fügt hinzu: „Obwohl derartige Substanzen nicht bekannt sind“, sprechen Aktivierungs- und Hemmungsmechanismen in der Netzhaut für Herings Theorie (Dorsch, 2021).

In den 1950er-Jahren fanden Hurvich und Jameson eine Methode, um Herings Paare zu messen. Auf Englisch heißt sie hue cancellation, auf Deutsch etwa Farbtonkompensation. Eine Versuchsperson sieht zum Beispiel ein rötliches Licht von 630 nm und gibt grünliches Licht von 500 nm dazu, bis die Mischung „neither reddish nor greenish“ aussieht, also weder rötlich noch grünlich. So beschreiben es Shevell und Martin. Die nötige Menge an grünem Licht ist ein Maß für den Rotanteil. Mit dieser Methode bestimmten Hurvich und Jameson die Rot-Grün- und die Blau-Gelb-Antworten von Versuchspersonen.

Wie beide Theorien zusammenpassen: die Zonentheorie

Lange galten die beiden Theorien als Gegner. Shevell und Martin schreiben, Hering und Helmholtz hatten darüber „fierce disagreements“, also heftige Auseinandersetzungen, wissenschaftlich und philosophisch.

Den deutschen Namen für die Verbindung beider Theorien gibt es seit 1905. In diesem Jahr schrieb der Freiburger Physiologe Johannes von Kries im Handbuch der Physiologie des Menschen, die Grundideen beider Theorien seien „in einem gewissen, wenn auch nur beschränkten Umfange wirklich zutreffend“. Er nahm an, „daß die peripheren Vorgänge, insbesondere die nächsten Erfolge der Belichtung in einer dreikomponentigen Weise, die zentralen dagegen in einer der Vierfarbentheorie entsprechenden Form gegliedert sein dürften“. Diese Anschauung hatte er nach eigener Angabe schon gut zwei Jahrzehnte früher entwickelt, und er wollte sie „eine Zonentheorie nennen“ (von Kries, 1905, S. 269). Von Kries blieb vorsichtig. Er erwartete, dass ein genaueres Modell ein „wesentlich negatives“ Ergebnis bringen würde.

Gut 50 Jahre später, 1957, schlugen Hurvich und Jameson ein ähnliches Modell vor, gestützt auf ihre Messungen. Die erste Stufe hat drei unabhängige lichtempfindliche Substanzen, wie in der Dreifarbentheorie. Diese Substanzen speisen drei gepaarte Gegenfarbensysteme: Gelb–Blau, Rot–Grün und Weiß–Schwarz (Hurvich & Jameson, 1957). Das APA Dictionary nennt diese Verbindung „dual process theory of color vision“. Es fügt hinzu, dass alle diese Theorien lange vor den ersten Messungen an Netzhautzellen entstanden. Trotzdem sagten sie die Antworten der Zellen unter den meisten Bedingungen richtig voraus (APA Dictionary, opponent process theory of color vision).

Die Physiologie bestätigte beide Stufen. Die Zapfenmessungen bestätigten drei Rezeptorarten. In den 1960er-Jahren maßen Russell De Valois und Kollegen einzelne Zellen im seitlichen Kniehöcker von Affen (De Valois et al., 1966). Der seitliche Kniehöcker ist eine Schaltstation zwischen Auge und Sehrinde. Manche Zellen feuerten bei bestimmten Wellenlängen stärker und bei anderen schwächer als in Ruhe. Das ist eine Gegenfarbenantwort. Der Vergleich beginnt sogar schon im Auge: Shevell und Martin beschreiben, dass bei solchen Zellen „something in the retina“ die Antwort auf grünliches Licht von der Antwort auf rötliches Licht abzieht. Die Gegenfarbenverarbeitung beginnt also früher, als von Kries annahm: Er vermutete sie eher in zentralen Vorgängen im Gehirn.

Kurz gesagt: Die Dreifarbentheorie beschreibt, wie das Auge Licht aufnimmt. Die Gegenfarbentheorie beschreibt, wie die nächsten Stufen die Farbe verarbeiten. Shevell und Martin schreiben, jede der beiden Theorien erfasse „a fundamental aspect of the human visual system“.

Wo die Lehrbuchfassung zu einfach ist

Die Lehrbuchfassung sagt: Die Netzhaut hat Rot-Grün-Zellen und Blau-Gelb-Zellen. Die echten Zellen folgen einem etwas anderen Muster.

1984 testeten Derrington, Krauskopf und Lennie viele Farbrichtungen an Zellen im seitlichen Kniehöcker von Affen. Die Zellen bildeten zwei Hauptgruppen. Eine Gruppe vergleicht die L- und die M-Zapfen. Die andere Gruppe reagiert auf die S-Zapfen im Vergleich zu den beiden anderen. Das sind Zapfengegensätze, nicht Herings Gegenfarben. Shevell und Martin zeigen das Ergebnis in einer Abbildung: Die Urfarben, die Versuchspersonen wählten, liegen nicht auf den Hauptachsen dieser Zellen. Die Versuchspersonen waren sich auch untereinander nicht einig. Beim reinen Gelb lagen ihre Einstellungen nah beieinander, beim reinen Blau, Rot und Grün weit auseinander.

Die Zellen am Anfang der Sehbahn vergleichen also Zapfen, und Herings Paare beschreiben das Aussehen der Farben. Wie beides zusammenhängt, ist nicht geklärt. Shevell und Martin schreiben, die wahrgenommenen und die physiologischen Gegensätze müssten sich nicht in einzelnen, eng abgestimmten Nervenzellen treffen. Das erklärt auch einen Satz im DocCheck Flexikon: Bisher gebe es „keine hinreichende Evidenz“ für eine solche Verschaltung. Zellen, die Zapfensignale gegeneinander verrechnen, sind gut belegt. Zellen, die genau Herings vier Urfarben entsprechen, sind es nicht. „Rot-Grün-Zelle“ ist also eine Kurzform für eine Zelle, die L- und M-Zapfen vergleicht.

Was Nachbilder zeigen

Nachbilder sind der Standardbeleg für die Gegenfarbentheorie. Schau etwa 30 Sekunden auf eine helle farbige Fläche und dann auf eine weiße Fläche. Du siehst dieselbe Form in der Gegenfarbe. Das APA Dictionary schreibt, ein negatives Nachbild sei in Farbe und Helligkeit meist komplementär zum ursprünglichen Reiz. Nach einem hellen Gelb ist das Nachbild zum Beispiel dunkelblau (APA Dictionary, afterimage).

Die Gegenfarbe passt zu den Gegensatzpaaren. Nach langem Blick auf Gelb passt sich das Gelb-Blau-System an das Gelb an. Wenn das Gelb verschwindet, kippt das Gleichgewicht zum Blau. Wie ein Sinnessystem auf einen andauernden Reiz schwächer reagiert, erklärt unser Artikel über Habituation und sensorische Adaptation.

Viele populäre Erklärungen sagen, die Zapfen ermüden. Diese Erklärung ist unvollständig. 2012 maßen Qasim Zaidi und Kollegen bei Affen die Ganglienzellen der Netzhaut, deren Fasern den Sehnerv bilden (Zaidi et al., 2012). Sie schreiben, die vorgeschlagenen Erklärungen reichten vom Ausbleichen der Zapfenpigmente bis zur Anpassung in der Hirnrinde. In ihren Messungen passten sich alle drei Klassen von Ganglienzellen an lange Reize an, und zwar viel langsamer, als man es von Fotorezeptoren erwarten würde. Wenn der Reiz aufhörte, antworteten die Zellen mit einer Gegenreaktion. Die Autoren folgern, dass Nachbildsignale in der Netzhaut entstehen, die Hirnrinde sie aber verändern kann.

Was Farbenblindheit zeigt

Farbsehschwächen sind häufig. Nach dem National Eye Institute der USA hat etwa 1 von 12 Männern eine Farbsehschwäche, und Männer haben ein viel höheres Risiko als Frauen. Die häufigste Form erschwert die Unterscheidung von Rot und Grün. Eine andere Form lässt Blau und Gelb gleich aussehen. Vollständige Farbenblindheit ist selten. Die meisten Betroffenen haben die Schwäche von Geburt an. Das Farbensehen kann sich aber auch später verändern. Das NEI nennt dafür das Alter, Augenerkrankungen, Verletzungen der Netzhaut, Schäden am Sehnerv oder Gehirn und manche Medikamente. Wenn sich dein Farbensehen verändert, lass es darum von einer Augenärztin oder einem Augenarzt prüfen.

Die beiden Theorien erklären verschiedene Teile der Farbenblindheit:

• Die Ursache liegt meist bei den Zapfen. Bei der Dichromasie hat das Auge nur zwei der drei Zapfenpigmente. Am häufigsten sind die Rot-Grün-Formen Deuteranopie und Protanopie (APA Dictionary, dichromatism). Das ist die Ebene der Dreifarbentheorie.
• Das Muster der Verwechslungen folgt den Gegensatzpaaren. Menschen mit diesen Formen verwechseln Rot und Grün, also die beiden Farben eines Paares. Hering selbst erklärte Farbenblindheit durch das Fehlen eines oder mehrerer seiner farbigen Prozesse (APA Dictionary, Hering theory). Von Kries hielt Herings Erklärung für den Unterschied zwischen den beiden Formen der Dichromasie allerdings für „mit den Tatsachen durchaus unvereinbar“ (von Kries, 1905, S. 268).

Ein bekanntes Beispiel ist der Chemiker John Dalton. Er beschrieb 1794 seine eigene Farbenblindheit. Er verwechselte Scharlachrot mit Grün und Rosa mit Blau. Dalton glaubte, die Flüssigkeit in seinen Augen sei bläulich gefärbt, und er ließ seine Augen nach seinem Tod untersuchen. Die Flüssigkeit war klar. 1995 gewannen David Hunt, John Mollon und Kollegen DNA aus seinem aufbewahrten Augengewebe. Dalton war Deuteranop, ihm fehlte also das Pigment der mittelwelligen Zapfen. Das Ergebnis zeigte auch, dass Thomas Young sich geirrt hatte. Young hielt Dalton für einen Protanopen (Hunt et al., 1995).

Gibt es ein rötliches Grün?

Nach der Gegenfarbentheorie sind rötliches Grün und gelbliches Blau unmögliche Farben. In der Forschung heißen sie verbotene Farben. Hering hielt eine rot-grüne Empfindung für denkbar, und einige Versuche sprechen dafür, dass Menschen sie sehen können.

1983 zeigten Hewitt Crane und Thomas Piantanida Versuchspersonen einen roten Streifen neben einem grünen. Ihre Apparatur hielt das Bild der Grenze zwischen den Streifen auf der Netzhaut still, aber nicht die äußeren Ränder. Unter diesen Bedingungen ließ sich die Fläche „simultaneously as both red and green“ wahrnehmen, also gleichzeitig rot und grün (Crane & Piantanida, 1983). 2001 merkten Vincent Billock und Kollegen an, dass in dieser ersten Studie nur einige Versuchspersonen verbotene Farben sahen. Bei Farben gleicher Helligkeit berichteten ihre eigenen Versuchspersonen von rötlichem Grün und bläulichem Gelb (Billock et al., 2001).

Andere Forscher widersprechen. 2006 fanden Hsieh und Tse, dass sich die Farben auch dann mischten, wenn jede Farbe nur einem Auge gezeigt wurde. Ihr Schluss: Die wahrgenommenen Farben seien gar keine verbotenen Farben, sondern Zwischenfarben (Hsieh & Tse, 2006). Die Frage ist noch umstritten. Beim normalen Sehen gilt die Regel der Gegenfarben.

Drei Ungenauigkeiten in deutschen Quellen

Wenn du für eine Klausur oder ein Referat recherchierst, findest du in deutschen Quellen einige Angaben, die nicht zu den Originaltexten passen.

1. 1.Falsche Jahreszahlen: Eine Seite der FU Berlin von 1995 schreibt, Helmholtz habe die Dreifarbentheorie 1891 aufgestellt und Hering seine Theorie erstmals 1886 formuliert (FU Berlin, 1995). Shevell und Martin nennen 1860 für Helmholtz und 1874 für Hering, und die Theorien stehen schon in Helmholtz' Handbuch von 1867 und in Herings Buch von 1878.
2. 2.Experimente statt Aussehen: Das Spektrum Lexikon der Biologie schreibt, Herings Theorie beruhe auf seinen „klassischen Farbmischexperimenten“, in denen Versuchspersonen die vier Grundfarben bestimmten (Spektrum, 1999). In der zentralen Passage von 1878 begründet Hering die vier Urfarben und die Gegenfarben aber mit dem Aussehen der Farben, nicht mit Versuchsergebnissen.
3. 3.Farbnamen als Zapfennamen: „Rot-, Grün- und Blau-Zapfen“ ist eine Kurzform. Der „Rot-Zapfen“ reagiert am stärksten auf gelblich-grünes Licht.

Nicht verwechseln: die Opponent-Process-Theorie der Motivation

Ein ähnlicher Name steht für eine zweite Theorie, die mit Farben nichts zu tun hat. 1974 veröffentlichten die Psychologen Richard Solomon und John Corbit „An opponent-process theory of motivation“ in der Psychological Review (Solomon & Corbit, 1974). Die Theorie handelt von Gefühlen.

Nach dem APA Dictionary löst ein Reiz ein primäres Gefühl aus, angenehm oder unangenehm, und zusätzlich ein Gegengefühl. Das Gegengefühl beginnt spät und klingt langsam ab, darum überwiegt es eine Zeit lang, nachdem der Reiz aufgehört hat. Es wird außerdem mit jeder Wiederholung stärker. Solomon wollte damit Motive wie Drogenkonsum, Liebe und soziale Bindung erklären (APA Dictionary, opponent-process theory of acquired motivation). In einer Prüfung zeigt dir der Zusammenhang, welche Theorie gemeint ist: Wellenlängen und Nachbilder deuten auf Hering, Drogen, Liebe oder Bindung auf Solomon.

So hältst du die Begriffe auseinander

Zum Farbensehen gehören viele Begriffe, die man leicht verwechselt: Dreifarbentheorie, Young-Helmholtz-Theorie, Gegenfarbentheorie, Urfarben, Zonentheorie, negatives Nachbild, Dichromasie, Deuteranopie und Protanopie. Wie du solche Fachbegriffe dauerhaft behältst, zeigt unser Artikel Psychologische Fachbegriffe lernen, die wirklich hängen bleiben.

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