Die Biologie des Sports

Die Biologie des Sports

Claudio Viecelli
Claudio Viecelli
Zürich, am 03.02.2021
Mitarbeit: Patrick Bardelli
Was ist Sport aus Sicht der Biologie? Im Prinzip nichts anderes, als die Störung eines biochemischen Gleichgewichts. Und trotzdem oder gerade deshalb ist Sport so wichtig für unsere Gesundheit.

Für die Evolution des Homo Sapiens war die Fähigkeit sich fortzubewegen essentiell für das Überleben. Wir haben nur überlebt, weil wir uns muskulär so angepasst haben, dass wir Feinden entfliehen und dank unserer Muskulatur Nahrung beschaffen konnten. Die Evolutionstheorie besagt, dass der Stärkere überlebt. Wenn es einen Stärkeren gibt, muss es auch einen Schwächeren geben und wir ihm gegenüber eine höhere Überlebenschance haben. Heute laufen Sportler*innen schneller, springen höher und sind stärker als je zuvor in der Geschichte der Menschheit.

Die Biologie der Bewegung und die Anpassung an spezifische Stressoren ist ein extrem komplexes Unterfangen. Das kommt daher, weil eine einzelne Bewegung ein orchestriertes Zusammenspiel von mehreren Organen und Geweben gleichzeitig voraussetzt. Dies sowohl auf zellulärer als auch auf systemischer Ebene. Obwohl man durchaus erfolgreich Forschung betreiben kann, indem man gewisse biologische Systeme in Einzelteile zerlegt und diese isoliert betrachtet, ist dies bei der integrativen Biologie der Bewegung zu komplex, man von isolierten Systemen nicht generell auf den ganzen Organismus schlussfolgern kann.

Die Biologie des Sports

Sport ist eigentlich nichts anderes als die Störung eines biochemischen Gleichgewichts. Dieser Herausforderung versucht unser Körper durch eine Vielzahl von akuten und adaptiven Reaktionen auf zellulärer und systemischer Ebene auszuweichen, um diese Störungen zu minimieren. Die arbeitende Muskulatur braucht Sauerstoff und Energie. Daher setzt unser Körper alles daran, diesen Anforderungen an Energie und Sauerstoff gerecht zu werden, um die von ihm verlangte Intensität aufrecht zu erhalten. Hierzu kannst du ein einfaches Experiment an dir selbst durchführen: Versuche bei einem hochintensiven Intervalltraining auf dem Fahrradergometer oder auf der Laufbahn eine anspruchsvolle Kopfrechenaufgabe zu lösen. Du wirst vermutlich daran scheitern.

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Wieso wir Sport erforschen

Die Hypothese steht im Raum, dass der Mensch sich so weit entwickeln konnte, weil er eine ausdauernde Muskulatur und eine erstaunliche Fähigkeit zur Thermoregulation entwickelt hat. Dies hat es unseren Vorfahren in Afrika ermöglicht, Tiere zu erlegen. Die Forschung geht davon aus, dass die proteinreiche Ernährung zur Weiterentwicklung und Vergrösserung unseres Gehirns beigetragen hat, wodurch wir komplexe kollaborative Verhaltensweisen entwickeln konnten. Unsere Skelettmuskeln, Gliedmassen wie auch das ventilatorische, kardiovaskuläre und metabolische System haben sich für den aufrechten Gang angepasst, da dieser wesentlich ökonomischer ist als das Gehen auf allen Vieren. Daher sind wir diesbezüglich Primaten überlegen, wenn es ums Laufen oder Rennen auf zwei Beinen geht.

Die damalige Zeit war geprägt von einem Lebensstil der in Phasen ablief. Waren die Jäger erfolgreich, gab es Nahrung. Lies das Wetter oder eine Dürre keine Jagd zu, hungerte man. Die Evolution begegnete diesen Umständen insofern, dass Gene favorisiert wurden, welche die effiziente Nutzung und Speicherung von körpereigener Energie regulierte. Unter diesem physisch aktiven Lebensstil entwickelte sich unser Erbgut. Dieses Erbgut, welches auf Bewegung und effiziente Energienutzung ausgerichtet ist, wird nun unserem modernen, sitzenden Lebensstil ausgesetzt. Somit steigt auch das Risiko von chronischen Krankheiten. Das sind die Gründe, wieso wir Sport erforschen:

  • Um Einblick in Krankheiten zu gewinnen, welche unsere Inaktivität auslösen.
  • Um zu verstehen, wie Bewegung zur Prävention von Krankheitsbildern beitragen kann.
  • Wenn wir verstehen, wie Bewegung Krankheiten verhindern kann, verstehen wir die molekularen Zusammenhänge und können Krankheiten gezielt bekämpfen.
  • Um die Kapazitätsgrenzen unserer physiologischen Systeme zu verstehen. Wir Menschen sind zwar gute Athleten. Im Vergleich zum Gepard, welcher bis zu 110 km/h Geschwindigkeit erreichen kann, mit unseren maximal 48 km/h jedoch relativ gemächlich unterwegs.

    Was meinen wir, wenn wir von Sport sprechen?

    Wenn wir von Bewegung sprechen, reden wir von der willentlichen Aktivierung der Skelettmuskulatur zur Freizeitgestaltung, einer sportlichen oder beruflichen Aktivität. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, zwischen Experimentmethoden in vivo (innerhalb des Körpers) und ex vivo (ausserhalb des Körpers) zu unterscheiden. Entnehmen wir zum Beispiel aus dem Körper einer Maus ein Stück Muskelgewebe durch eine Biopsie und stimulieren dieses durch elektrischen Strom, löst dies zwar auch ein Aktionspotential und eine Kontraktion aus. Die zusätzlich im Körper hervorgerufen Adaptionen können so jedoch nicht nachvollzogen werden. Daher sind ex vivo Experimente immer mit Vorsicht zu interpretieren und eignen sich nicht, um Ergebnisse zu extrapolieren.

    Die willentliche Aktivierung der Muskulatur geht weit über eine einfache Muskelkontraktion hinaus. Die im motorischen Kortex des Gehirns erzeugte Absicht eine Bewegung auszuführen, veranlasst das Rückenmark motorische Einheiten der Muskulatur zu rekrutieren, was zur gewünschten Bewegung führt. Parallel zu den neuronalen Signalen an die Skelettmuskulatur erfolgen auch starke Signale an das kardiovaskuläre, respiratorische und hormonelle System, um die metabolischen Anforderungen der kontrahierenden Muskulatur erfüllen zu können.

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Wir können nur ein Verständnis für Trainingsadaptionen entwickeln, wenn die zahlreichen Faktoren wie Geschwindigkeit, Kraft, Dauer, Intensität von Muskelkontraktionen sowie die an der Aktivität beteiligte Muskelmasse, berücksichtigt wird. Eine starke isometrische (Krafterzeugung ohne Veränderung der Muskellänge, beispielsweise beim Drücken gegen die Wand) aber kurze Kontraktion komprimiert die Blutgefässe in der kontrahierenden Muskulatur und begrenzt die Blutzufuhr und somit die Sauerstoffversorgung. Im Gegensatz dazu sind bei andauernden rhythmischen Sportarten wie Radfahren oder Laufen die Kontraktionszeiten kurz und die Durchblutung der Muskulatur wird kaum gestört, was zu einer Minimierung von Blutdruckschwankungen führt. Die bei aeroben Aktivitäten beteiligte Muskelmasse, zum Beispiel beim Laufen oder Radfahren, beträgt bei einer 70 Kilogramm schweren Person zirka 15 Kilo. Beim Rudern oder Langlaufen ist sie entsprechend höher.

Ebenfalls von Relevanz ist die verwendete Terminologie für die Quantifizierung von Trainingsintensitäten. Bei Übungen, welche länger als fünf Minuten dauern, wird die Intensität normalerweise als Prozentsatz der VO2max (maximale Sauerstoffaufnahme [ml ∙ kg-1 ∙ min-1]) einer Person ausgedrückt. Niedrige, moderate und hohe Trainingsintensitäten entsprechen < 45%, 45%-75% bzw. > 75% der individuellen VO2max.

Der Stoffwechsel unserer Muskulatur

Die Energiewährung in unserem Körper lautet Adenosintriphosphat oder abgekürzt ATP. Adenosin besteht aus der Nukleinbase Adenin und dem Zucker Ribose. Das komplette Molekül umfasst also Adenin, Ribose und drei Phosphate. ATP wird zur Energiegewinnung verwendet, indem die einzelnen Phosphate in einer biochemischen Reaktion, der Hydrolyse, abgespaltet werden. Wie der Name Hydrolyse nahelegt, ist Wasser bei dem Spaltungsprozess notwendig. Aus einem Molekül ATP können nun fortlaufend Phosphatmoleküle abgespaltet werden, was in einem ersten Schritt zu Adenosindiphosphat (ADP) und anschliessend zu Adenosinmonophosphat (AMP) führt.

Unser Körper braucht ATP, um Muskeln kontrahieren zu lassen. Da er die Möglichkeit besitzt, diese Energie zu rezyklieren, kann er, abhängig von der Intensität, den ATP-Gehalt in der Muskulatur über weite Strecken aufrecht erhalten. Bei Sprinttrainings steigt der ATP-Umsatz gegenüber dem Ruheumsatz bis um das 100-fache. Dies stellt den Stoffwechsel in allen anderen Geweben in den Schatten. Was aber wiederum bedeutet, dass es höchste energetische Anforderungen an die Muskulatur stellt. Da die intramuskulären ATP-Speicher relativ gering sind, werden alle Stoffwechselwege, welche ATP rezyklieren können, aktiviert. Bei einem kurzen (30 – 60 s), maximalen Sprint, wird in der kontrahierenden Muskulatur sehr viel Energie gebraucht. Diese Energie stammt aus Stoffwechselwegen, die rasch ATP zur Verfügung stellen können. Wenn die Produktion von ATP nicht mehr mit der Nachfrage mithalten kann, muss zwangsläufig eine Verringerung der Intensität stattfinden. Dies ist einer der Gründe, weshalb du eine Zeit für einen 800 Meter Lauf nicht von deinem 100 Meter Sprint extrapolieren kannst. Daher ist es wichtig, dass Energie, welche ausserhalb der Muskulatur gespeichert wird, mobilisiert werden kann, um den Stoffwechsel der Muskulatur bei längeren Belastungen aufrechtzuerhalten. So gibt die Leber Glukose und die Fettzellen freie Fettsäuren ins Blut ab, die zur Energieerzeugung beitragen. Der relative Beitrag von Kohlenhydraten und Fetten zum aeroben Stoffwechsel wird hauptsächlich durch die Intensität bestimmt und ist abhängig von der vorgängigen Ernährung, Trainingsstatus, Geschlecht und den vorherrschenden Temperaturbedingungen.

Der Sauerstofftransport

In Ruhe beträgt der Sauerstoffverbrauch des Körpers bei gesunden, jungen, erwachsenen Menschen durchschnittlich etwa 3.5 ml/kg/min, wobei zirka 20 bis 25 Prozent davon für Skelettmuskeln verwendet werden. Für eine Person mit 70 Kilogramm beträgt der Sauerstoffverbrauch im Ruhezustand also 250 ml/min, wobei 50 ml/min von der Muskulatur aufgenommen werden. Bei gesunden und untrainierten Erwachsenen beträgt die VO2max in der Regel das 10- bis 15-Fache der Ruhewerte. Bei ausdauertrainierten Spitzensportlern können die Sauerstoff-Maximalwerte 85 ml/kg/min überschreiten. Obwohl der Sauerstoffumsatz beim Menschen hoch ist, ist er im Vergleich zu Weltklasse-Rennpferden mit VO2max-Werten von 110 l/min, was 220 ml/kg/min entspricht, geradezu mickrig.

Die maximale Sauerstoffaufnahme setzt sich aus einer Kombination von diversen Faktoren zusammen. Zum einen aus der Fähigkeit des zentralen Nervensystems, motorische Einheiten unserer Muskulatur zu rekrutieren. Zum anderen durch die Abgabe von Sauerstoff durch das Lungen- und Herz-Kreislaufsystem an die kontrahierende Muskulatur und die Fähigkeit der Muskulatur, den ankommenden Sauerstoff in den aeroben Stoffwechselprozessen zu nutzen. Bei einem starken Anstieg des Sauerstoffverbrauchs während maximalen Belastungen wurden beim Menschen Spitzenwerte für das Herzzeitvolumen und die Ventilation von 40, respektive 200 l/min erreicht. Dies entspricht einer 8-bis 20-fachen Steigerung gegenüber dem Ruheverbrauch. Zusätzlich kann der Blutfluss zur aktiven Skelettmuskulatur bis auf das Hundertfache ansteigen. Bemerkenswert ist jedoch die Eigenschaft, dass der arterielle Blutdruck nur geringfügig um zirka 20 Prozent ansteigt. Ebenfalls erwähnenswert ist, dass der arterielle Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdruck im Vergleich zu Werten, welche in Ruhe gemessen werden, praktisch identisch bleibt, bis eine maximale Trainingsintensität erreicht wird.

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Die kardiovaskulären Anpassungen an sportliche Tätigkeiten erfordern ein intaktes autonomes Nervensystem und werden von drei Signalen gesteuert: 1. abhängig von der Intensität werden zielgerichtete Signale zum Gehirn geschickt, welche Regionen stimulieren, die die Herz- und Atemfrequenz erhöhen; 2. Rückmeldungen aus den Nerven der kontrahierenden Muskulatur erhöhen die Leistungsfähigkeit; 3. Blutdrucksensoren liefern den kardiovaskulären Regionen Rückmeldung über den Blutdruck.

Der Blutfluss wird auf eine Weise reguliert, dass die Sauerstoffzufuhr den metabolischen Bedarf in der Muskulatur decken kann. Dies geschieht so, dass er von der Niere, Leber und anderen inneren Organen umverteilt und in die Muskulatur umgeleitet wird. Der Blutfluss zum zentralen Nervensystem bleibt unverändert oder steigt leicht an. Der Blutfluss zum Herzen hin wird erhöht. Die Verdunstung von Schweiss ist die einzige Möglichkeit, wie wir Wärme abführen können. Daher kommt es beim Sport zu einer Erhöhung der Durchblutung in der Haut und einem durch Schwitzen verursachten Flüssigkeitsverlust. Mit zunehmender Intensität wird jedoch auch die Blutzufuhr zur Haut reduziert, um der Muskulatur noch mehr Sauerstoff bereitstellen zu können. Damit ein konstanter arterieller Blutdruck aufrecht erhalten werden kann, hat die Muskulatur Priorität gegenüber der Haut. Nähern wir uns unserer maximalen Sauerstoffaufnahme, wird die Blutzufuhr zur Muskulatur unterbunden, um die Pumpleistung unseres Herzens zu gewährleisten. Die kritischen Funktionen des Herz-Kreislaufsystems sind die Sauerstoffsättigung im Blut aufrecht zu erhalten und das anfallende Kohlendioxid loszuwerden, welches beim aeroben Stoffwechsel anfällt. Dies macht unser Körper durch die Erhöhung der Atemfrequenz und wird ebenfalls durch unser Gehirn reguliert.

Dieses faszinierende Zusammenspiel von extrem komplex regulierten Prozessen ist beeindruckend. Die Forschung auf diesem Gebiet ist enorm spannend und ermöglicht uns mittlerweile, atomare Strukturen und deren Funktionsweisen aufzuklären. Mit unserer Forschung können wir dazu beitragen, die sportliche Leistungsfähigkeit zu verbessern und mithelfen, dass Sportler*innen Ihre Ziele effizienter, effektiver und evidenzbasiert erreichen können. Dies ist jedoch nur ein untergeordnetes Ziel. Was wir im Wesentlichen wollen, ist ein Verständnis für das komplexe Zusammenspiel zwischen Gesundheit und durch Inaktivität entstehende Krankheitsbilder zu entwickeln.

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Du möchtest mehr wissenschaftlichen Hintergrund zu Themen wie Gesundheit und Sport? Dann folge unseren Autorenprofilen. Im nächsten Beitrag gehen wir im Gespräch mit Prof. Dr. Katrien De Bock vom Departement für Gesundheitswissenschaften und Technologie an der ETH Zürich der Wirkung des Sports auf unsere Gesundheit auf den Grund.

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Claudio Viecelli
Claudio Viecelli

Biologe, Zürich

Molekular- und Muskelbiologe. Forscher an der ETH Zürich. Kraftsportler.

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