Leistungssport: Mit der Körpermaschine an die Grenzen

Der Mensch hat den vielseitigsten Bewegungsapparat aller Lebewesen. Doch so richtig gut kann er nur gehen. Spitzensportler erkunden, wo die absolute Leistungsgrenze liegt - mit Training, Pillen und Chirurgie. Forscher suchen derweil nach dem Fitnessgen im Erbgut.

Dieser Beitrag stammt aus dem SPIEGEL-Archiv. Warum ist das wichtig?

Bei 180 Watt Tretwiderstand laufen mir erste Schweißperlen den Rücken hinunter. So fühlt sich Sport an. Die Betreuerin reicht ein Handtuch und schaltet den Ventilator ein. Vor der Tour de France 1997 saß der spätere Sieger Jan Ullrich auf demselben Standrad wie ich heute und absolvierte die gleichen Tests. Bei 180 Watt fing er damals erst an, in die Pedale zu treten. Zum Warmwerden.

Auf dem Monitor an der Wand ist eine Treppe vorgezeichnet: Alle drei Minuten erhöht das System den Widerstand automatisch um 20 Watt. "Bis jetzt haben wir jeden kleingekriegt", sagt Hans-Hermann Dickhuth. Er ist Leiter der sportmedizinischen Abteilung des Klinikums Freiburg und hat mich komplett verkabelt, um meine körperlichen Grenzen zu testen. Elektroden horchen mein Herz ab, alle paar Minuten wird Blut aus meinem rechten Ohrläppchen gezapft, immer wieder pumpt sich eine Blutdruckmanschette an meinem Arm auf. Und zwischendurch muss ich auch noch eine Atemmaske über Mund und Nase stülpen – Abgasuntersuchung.

Ich will dem Geheimnis der Maschine Mensch auf die Spur kommen. Was macht sportliche Höchstleistung aus, was unterscheidet Hobby- von Spitzensportlern wie Jan Ullrich? Ihre Körper sind doch aus dem gleichen Material wie meiner. Sind die Ullrichs nur besser trainiert? Oder sind ihre Körper für den Radsport geboren, meiner aber nur für den Schreibtisch? Kurz: Was hat Ulle, was ich nicht habe?

Luft im Schwimmer-Darm für besseren Auftrieb

Damit das klar ist: Das ist keine Sache zwischen Jan Ullrich und mir. Es geht um das menschliche Leistungsvermögen. Wissenschaftler analysieren Messkurven von Ausnahmeathleten in Fachzeitschriften und erörtern sie auf Kongressen. Sie entschlüsseln das Erbgut und suchen nach möglichen Fitnessgenen. Dabei geht es nicht nur um die reine Erkenntnis. So mancher träumt vom nächsten Schritt – davon, die Maschine Mensch auf mehr Leistung zu tunen.

Eigentlich passen Sonntagssportler wie ich auf Dickhuths Standrad so gut wie ein Traktor in eine Jaguar-Werkstatt. Im Freiburger Klinikum lassen sich normalerweise nur Hochleistungsathleten testen, um mit Hilfe der Ergebnisse ihre Trainings- und Wettkampfziele zu definieren. Nach ihren Messungen können die Prüfer Marathonzeiten auf die Minute genau vorhersagen. Hier beginnen Profikarrieren – oder sie enden, bevor sie überhaupt begonnen haben.

Gehört ein Körper zu den besten der besten, stellt er manche Maschine in den Schatten: 100-Meter-Läufer zum Beispiel beschleunigen in der Startphase schneller als ein Porsche. Und Radprofis bewältigen 200 Kilometer über ein halbes Dutzend Hochgebirgspässe im Renntempo mit so wenig Nahrungsenergie, dass ein Motorrad mit Sprit des gleichen Brennwerts bestenfalls zur nächsten Tankstelle käme.

Allerdings sehen selbst Sport-Asse schlecht aus, wenn sie sich mit Tieren messen müssen. "Der Mensch ist lediglich ein ganz guter Dauerläufer", sagt Robert McNeill Alexander, Biomechaniker an der Universität von Leeds in England, "das ist die einzige Sportdisziplin, in der er mit tierischer Konkurrenz ganz gut mithalten kann." An die globale Leistungsspitze kommt er nicht heran. Im Januar stellte der Äthiopier Haile Gebrselassi mit einer Zeit von knapp 59 Minuten einen neuen Weltrekord über die Halbmarathonstrecke (gut 21 Kilometer) auf. Pronghorn-Antilopen preschen in der gleichen Zeit etwa dreimal so weit durch die afrikanische Steppe.

Beim Springen sieht es noch schlechter aus: Mit Weiten von 16 Metern lassen Kängurus die menschliche Springerelite wie müde Hopser wirken. Die Beuteltiere haben für weite Sätze die perfekte Muskel-Sehnen-Kombination. Auch in der Disziplin Schwimmen versagt der Mensch kläglich. Unser Auftriebskörper, die Lunge, liegt weit weg vom Körperschwerpunkt. Zwar hält sie den Kopf über Wasser, die Beine sinken aber ab. Das erschwert eine schnittige Wasserlage – weshalb sich die Spitzenschwimmer der DDR einst von hinten Luft in den Darm pumpten. Außerdem fehlt uns schlicht die Stromlinienform: Wir brauchen neunmal so viel Kraft wie ein gleich schwerer Delfin, um uns durchs Wasser zu ziehen. Dafür machen Delfine auf dem Trockenen eine noch schlechtere Figur als wir im Wasser, obwohl sie von Landlebewesen abstammen. Sie sind Spezialisten, wir sind Generalisten.

240 Watt, ungefähr die Leistung eines Mixers. Schweiß tropft auf den Linoleumboden des Freiburger Klinikums. Inzwischen reicht mein Diesel nicht mehr aus. Meine Muskeln haben spürbar hochgeschaltet: auf Kohlenhydrate. Kann es sein, dass der Mensch auch fürs Radfahren nicht geschaffen wurde?, denke ich. Das Reden überlasse ich von nun an der Betreuerin.

Im Gehen ist der Mensch unübertroffen

Eine nicht sehr sportlich scheinende Disziplin gibt es immerhin, in der Homo sapiens brilliert: das gemächliche Gehen. Da sind wir Energiesparweltmeister in unserer Gewichtsklasse. "Gemessen an Tieren gleicher Größe gibt es keine effizientere Fortbewegungsart", sagt Robert McNeill Alexander. Einen ebenen Kilometer zu gehen kostet ungefähr so viel mechanische Energie wie ein Stockwerk Treppen steigen. Wer stehen bleibt und sich ein bisschen aufregt, verbraucht mehr.

Einmal in Bewegung gesetzt, tickt unser Gehapparat wie ein Uhrwerk. Mit jedem Schritt wird ein Teil der Vorwärtsenergie in Sehnenspannung und einem sanften Hub der Körpermasse zwischengespeichert, dann fast verlustfrei in Vortrieb zurückverwandelt. Weil wir von der Ferse bis zu den Zehen abrollen, müssen wir kaum die Knie beugen. Die Beine schwingen wie Uhrpendel unter dem Rumpf durch. "Das Pendelprinzip ist das Geheimnis unseres Gangs", sagt McNeill Alexander. Bei leichtem Gefälle geht man von selbst. Unsere Sehnen federn so gut wie Gummiseile, unsere Gelenke gleiten sanfter als Industrielager. "Der Reibungskoeffizient von Knorpel auf Knorpel übertrifft jedes technische Material", schwärmt Wilfried Alt, Bewegungsforscher an der Universität Stuttgart.

Lange galt der menschliche Gang unter Evolutionsbiologen als Kompromisslösung. Sie dachten, unsere Vorfahren hätten sich in die Vertikale erhoben, um eine bessere Aussicht oder die Hände frei zu haben. Aber womöglich entsprang die Gattung Homo dem evolutionären Druck zu sparsamer Fortbewegung: "Der aufrechte Gang war für sich Grund genug", sagt Wilfried Alt. "Werfen und Werkzeuggebrauch hat der Mensch erst viel später gelernt."

Neuerdings dämmert Humanbiologen, dass die Natur unseren Bewegungsapparat nicht nur für das Gehen, sondern auch fürs Rennen ausgelegt hat. Die amerikanischen Forscher Dennis Bramble und Daniel Lieberman zeigten in einer Studie, dass unsere Vorfahren schon vor zwei Millionen Jahren die Merkmale von Läufern entwickelten: verstärkte Fersen, längere Beine, schmalere Hüften, größere Gelenkflächen zur besseren Stoßabsorption und Knochenansätze für zugfeste Sehnen – an der Achillessehne eines flott laufenden 70-Kilogramm-Menschen zerrt eine Kraft, die dem Gewicht einer knappen halben Tonne entspricht. Allzu schnell sind wir allerdings nicht. Wozu auch hätten unsere Vorfahren mit 60 Sachen hinter Antilopen her laufen sollen, wenn sie clever genug waren, ohne solche Hetzerei zu überleben? Die evolutionäre Nische des Menschen ist schließlich von je her Schlauheit, nicht Schnelligkeit.

Das menschliche Gehirn verschlingt fast ein Fünftel des Ruhe-Energieumsatzes seines Trägers. Im Austausch für so viel Denkkapazität mussten wir körperlich mit einem Sparmodell vorlieb nehmen. Unsere Kreislaufkapazität reicht nur noch aus, um die Beine voll in Aktion zu halten. Wenn wir zusätzlich die oberen Gliedmaßen bewegen, müssen wir unten bremsen. "Wir sind nicht nur vom Körperbau her Zweibeiner, sondern auch vom Stoffwechsel her", sagt der Sportmediziner Hans Hoppeler von der Universität Bern.

320 Watt. Ich überschreite jenen kritischen Punkt, den Sportphysiologen als "individuelle anaerobe Schwelle" bezeichnen. Jetzt gerät mein Energiestoffwechsel aus dem Gleichgewicht, er kann die verlangte Tretleistung auch mit der Verbrennung von Kohlenhydraten nicht mehr decken. Er muss eine chemische Abkürzung nehmen, bei der in der Muskulatur Milchsäure anfällt – wie Ruß in einem Motor, wenn man Vollgas gibt. Ein brennendes Gefühl entwickelt sich in meinen Beinen. Das Zerfallsprodukt der Milchsäure, Laktat, sammelt sich nun rapide in meinem Blut.

Bei Jan Ullrich dauerte es noch 18 Minuten oder sechs Stufen länger, bis die Laktatkurve hochschnellte: Seine Schwelle lag gut 100 Watt höher, bei etwa 430 Watt, und das bei nur 72 Kilogramm Körpergewicht. Das war der Schlüssel zu seinem Toursieg. Aber schon ein Jahr später stieß Jan Ullrich an eine Grenze. Marco Pantani gewann die Tour.

Seit es Epo gibt, werden Läufer und Radfahrer schneller

Wo genau liegt der Engpass in unserem Energiesystem, wenn wir den Körper zur Hochleistung antreiben? Das ist die große Frage, über der sich die Leistungsphysiologen in den Haaren liegen. Ermüdet zuerst die Atemmuskulatur? Der Sportphysiologe Urs Boutellier von der ETH Zürich glaubt fest daran – "obwohl ich es bisher nicht beweisen kann". Schwächelt das Herz, wie der dänische Sportmediziner Bengt Saltin an Elite-Skilangläufern gemessen haben will? Oder sind die zellulären Brennöfen in den Muskeln überfordert? Das ist Hans Hoppelers Standpunkt, den er seit drei Jahrzehnten gegen Saltin verficht.

Für das Blut als Bremse spricht ein trauriger Feldversuch, den weite Teile des Hochleistungssports in den 1990er Jahren anstellten. 1989 wurde die synthetische Form des Nierenhormons Erythropoietin (Epo) kommerziell verfügbar, das die Bildung roter Blutkörperchen anregt und deren Stoffwechsel frisiert. Prompt purzelten die Weltrekorde auf den langen Laufstrecken. Das Durchschnittstempo der Tour de France stieg auf über 40 Kilometer pro Stunde.

Aber Blut ist nicht alles, auf das Ensemble kommt es an. Entsprechend kompliziert ist die Größe, mit der Sportmediziner die Ausdauerfähigkeit messen: Die "maximale relative Sauerstoffaufnahme" beziffert das Sauerstoffvolumen, das der Organismus pro Minute und Kilogramm Körpermasse umsetzen kann. Jan Ullrich kam 1997 auf dem Freiburger Fahrrad auf 88 Milliliter, normal ist knapp die Hälfte. Für so einen Wert muss alles stimmen: Der Sauerstoff muss frei durch die Lunge ins Blut fließen, dann durch die Gefäße bis in die Zell-Brennöfen.

"Eine hohe Sauerstoffnahme ist die Eintrittskarte in den Club der Topathleten", sagt der Münchner Sportmediziner Bernd Wolfarth, der die deutschen Winterolympioniken betreut. Nicht immer jedoch gewinnt der Athlet mit den besseren technischen Daten. Lance Armstrong zeigte im Labor nicht ganz so fantastische Werte wie Ullrich, trotzdem war er auf der Straße vorne. "Von den Werten her müsste Ullrich eigentlich von März bis Oktober alle in Grund und Boden fahren", sagt der Freiburger Mediziner Olaf Schumacher, der Ullrichs Team T-Mobile betreut. Aber zu jeder Biomaschine gehört nun mal ein Kopf, der sie bedient – und eine günstige Mechanik.

Große Hände und Füße helfen Schwimmern, sich zügig durchs Wasser zu schaufeln. Sprinter brauchen ein langes Fersenbein, um mehr Drehmoment aufs Sprunggelenk zu bringen. Bei Radfahrern kommt es auf die Hebel an, die den Zug der Muskeln auf die Pedale übertragen. Da liegt es nahe, an Körpertuning zu denken.

Bioingenieure suchen Verbesserungspotential

Bei so gut wie allen Komponenten unseres Bewegungsapparats sehen Bioingenieure Verbesserungspotenzial. McNeill Alexander würde gern an der Aufhängung tüfteln: "Ich wäre neugierig, ob man nicht die Anordnung der Sehnen verbessern könnte." Elastische Sehnen sind beim Laufen, Springen und Werfen hilfreich. Fürs stetige Dahintraben wäre etwas mehr Elastizität wünschenswert, beim Beschleunigen etwas weniger. "Sehnen mit regelbarer Elastizität wären eine gute Idee", findet Alexander.

Um uns schneller laufen zu lassen, müsste man vor allem unser Sprunggelenk höher legen und die dort ansetzenden Hebel verlängern. Allerdings würde uns das verletzungsanfälliger machen, warnt Wilfried Alt: "Wir würden leichter umknicken." Alt legt mehr Wert auf Haltbarkeit als auf Höchstleistung: "Mit einem Sprunggelenk, das an der Außenseite verstärkt ist und etwas näher am Boden liegt, würden wir zwar etwas langsamer rennen, wären aber robuster." Dazu noch ein paar Gramm Stützmaterial an die untere Wirbelsäule, und Alt sähe uns gewappnet für ein langes Leben.

380 Watt tun richtig weh. Mein Tritt verlangsamt sich auf unter 90 Umdrehungen pro Minute. Ich stelle das Treten ein und staune über die Schweißlachen unter dem Rad. Bei dieser Leistung – sie entspricht einer halben Pferdestärke – absolviert Jan Ullrich gemäßigtes Ausdauertraining. "Bei ihm könnten Sie nicht einmal im Windschatten mitrollen", teilt Dickhuth mir mit. Ich schiebe die Schuld auf meine Biomechanik. Aber könnte vielleicht auch ich die Tour de France mit Hilfe chirurgischer Tricks durchhalten, wenn nicht gar das Siegertreppchen besteigen?

Vorschläge für Renovierungsmaßnahmen haben Körperingenieure genug. Wo also bleiben die mobilen Hochbetagten und die Überathleten mit maßgeschneiderten Knochen und verstärkten Sehnen? Warum boomt die Leistungschirurgie noch nicht?

Das Problem ist: Jeder akute Eingriff würde die sensible Abstimmung unseres Bewegungsapparats stören. "Wenn man eine Komponente verändert, ändern sich die anderen nicht unbedingt mit", sagt Ansgar Schwirtz, Biomechaniker an der TU München. Selbst wenn es medizinisch machbar und mechanisch von Vorteil für Jan Ullrich wäre, seinen Oberschenkel um einen halben Zentimeter zu verlängern, würde seine Muskulatur einen solchen Eingriff verübeln. Und so wird sich der Leistungsdrang wohl oder übel dem Tempo der Evolution fügen müssen, meint Schwirtz: "Mit dem Energiesystem und den Muskeln eines heutigen Menschen kann man die 100 Meter unmöglich in acht Sekunden laufen. Aber vielleicht in ein paar hunderttausend Jahren?"

Wem da die Geduld ausgeht, dem bleibt nur die verwegenste Form des Körpertunings: am Erbgut zu drehen. Die Belege dafür, dass Fitness eine Sache der Gene ist, sind überwältigend. Zwillinge ähneln einander auffällig in ihren Leistungsdaten, auch bei unterschiedlichem Lebenswandel.

Afrikanischstämmige Athleten laufen ihrer kaukasischen Konkurrenz davon – "und wenn sie mal richtig mit Rennradfahren und Skilanglauf anfangen, dann kriegen wir hier Probleme", ahnt Hans-Hermann Dickhuth.

Suche nach dem Fitnessgen der Spitzensportler

Seit Molekularbiologen gezielt einzelne Gene untersuchen können, durchforsten sie unser Erbgut nach "Fitnessgenen". Bernd Wolfarth, der diese Bemühungen jährlich in einer Genkartei protokolliert, meint jedoch: "Kein einziger Fund bisher ist erhärtet." Das genetische Geheimnis der afrikanischen Läufer bleibt ungelüftet. Die Idee, athletisch Hochbegabte an ihrem Genprofil zu identifizieren, liegt in noch weiter Ferne.

Ganz und gar rätselhaft ist die genetische Basis der Trainierbarkeit. Von Jan Ullrich ist bekannt, dass er innerhalb einiger Tage Trainingsrückstände aufholt, für die andere Sportler Wochen und Monate brauchen: "Am Anfang des Trainingslagers muss die Gruppe auf ihn warten", erzählt T-Mobile-Betreuer Schumacher, "drei Tage später fährt er gut mit, und nach sechs Tagen lässt er die anderen am Berg stehen." Wie bringt er das fertig? Schumacher und Kollegen sind überzeugt, dass die Ursache in Ullrichs Genen liegt. Nur wo? Sie haben keine Ahnung.

In einem einzigen Fall konnten Forscher die Leistungskraft eines Sportlers bis ins Erbgut zurückverfolgen. Der schmächtige finnische Skilangläufer Eero Mäntyranta holte bei den Olympischen Winterspielen 1964 zwei Goldmedaillen. Er ahnte nicht, was Genetiker drei Jahrzehnte später zufällig entdecken würden: Seine Ahnen hatten ihm ein mutiertes Gen vererbt (das für den Epo-Rezeptor), das sein Sauerstofftransportsystem frisierte.

Für die Antidopingbehörden wäre es ein Albtraum, wenn Athleten begännen, sich an ihren Genen zu vergreifen. Es gibt Anzeichen dafür, dass diese Ära nun beginnt, gegen einige Sportler wird schon ermittelt. Beweise fehlen bisher: "Wir haben noch keine klaren Belege dafür, dass jemand Gendoping versucht hat", sagt Hans Hoppeler, der auch Präsident der Schweizer Dopingkommission ist, "aber irgendwann wird es jemand versuchen. Unser Erbgut bietet Zehntausende aussichtsreiche Möglichkeiten." Die technischen Hindernisse sind gering. Es ist mittlerweile Routine, fremdes Genmaterial in die Muskeln von Tieren zu schleusen. Genetiker haben muskulöse Mutantenmäuse und Affen mit fast verdoppelter Dichte roter Blutkörperchen geschaffen. Das Gesundheitsrisiko für die Athleten wäre unabsehbar. Aber gegen solche Skrupel sind Spitzensportler berufsbedingt abgehärtet, meint Hoppeler: "Wer die Profikarriere einschlägt, braucht reichlich Mut zum Risiko."

Wir Feiglinge müssen uns mit einem Körper abfinden, der vieles kann, aber nichts wirklich gut. Immerhin ist dieser Körper der passende für unseren Kopf. "Kein anderes Lebewesen hat ein genügend komplexes Nervensystem, um so viele verschiedene Bewegungen zu lernen", sagt der Biomechaniker Wilfried Alt. . Es gibt schnellere und stärkere Biomaschinen. Aber nur wir Menschen können unsere bewusst genießen. Holen wir raus, was drinsteckt. Auch wenn es ein paar Watt weniger sind.