NAS Arbeitsgemeinschaft e.V

Dr. med. Stephan Böhmen

Oberflächlich besehen sollte es leicht gelingen, die Belastungsgrenzen für das Herzkreislaufsystem anzugeben. Im engeren Sinne gehören zum Herzkreislaufsystem das Herz, die Lunge und das Blut, welches den Transport von Sauerstoff und Nährstoffen übernimmt. Bei näherer Betrachtung wird die Sache jedoch komplizierter. So umfaßt der Begriff »Atmung« nicht nur die Lunge sondern alle sauerstoffaufnehmenden, transportierenden und verwertenden Teilsysteme. Dies bedeutet aber, daß Atmung die Funktion des Herzens, der Lunge und des Blutes umfaßt.

Um die Verwirrung nicht allzu groß werden zu lassen, schauen wir uns die einzelnen Organsysteme einmal getrennt an:

Die Aufgabe des Herzens besteht im wesentlichen darin, eine bestimmte Menge Blut pro Zeiteinheit durch den Körper zu pumpen. Wieviel Blut das ist, hängt von der Größe der Herzkammern und der Kontraktilität der Herzkammern und der Herzfrequenz ab. Diese Größen sind jedoch nicht starr und festgelegt sondern durch Training und das Alter variierbar. So kommt es unter intensivem Ausdauertraining (ab ca. 10 Stunden pro Woche) zu einer Zunahme der relativen Herzgröße. Während das normale Herzvolumen ca. 10 ml pro kg beträgt, kann es im Grenzbereich der Sportherzanpassung (z. B. bei Radrennfahrern) auf bis zu 19 bis 20 ml pro kg ansteigen. Dies setzt jedoch ein wöchentliches Training von ca. 25 bis 45 Stunden voraus! Das Herz versucht so, eine unökonomisch hohe Herzfrequenz zu vermeiden, da eine hohe Herzfrequenz mit einem erhöhten Sauerstoff- und Energieverbrauch einhergeht. Durch diese Anpassungsvorgänge kann die pro Minute durch den Körper gepumpte Blutmenge (das Herzzeitvolumen) von 20 auf 40 l pro Minute bei Hochleistungsathleten ansteigen!

Somit hätten wir unseren ersten Grenzwert: Die maximale Pumpleistung des Herzens bei ausdauertrainierten Hochleistungsathleten beträgt ca. 40 l pro Minute.

Wenden wir uns nun dem nächsten Organsystem, der Lunge zu. Aufgabe der Lunge ist die Anreicherung des sauerstoffarmen Blutes mit Sauerstoff aus der Atemluft (Oxygenierung). Die Größen, die den Austausch der Atemluft in der Lunge beschreiben, sind die Atemfrequenz und die Menge Luft, die mit jedem Atemzug eingesogen wird (Atemzugvolumen). Multipliziert man die Atemfrequenz (AF) mit dem Atemzugvolumen (AZV) so erhält man das Atemminutenvolumen in Ruhe. Das Atemminutenvolumen beschreibt die Menge Luft, die pro Minute von der Lunge aufgenommen und abgegeben wird. Das Atemminutenvolumen in Ruhe beträgt ca. 8 bis 12 l pro Minute. Durch Vertiefung der Atemzüge und Erhöhung der Atemfrequenz kann das Atemminutenvolumen erheblich ansteigen, bei Untrainierten bis auf maximal 100 l pro Minute. Maximal Ausdauertrainierte können durch Erhöhung des Atemzugvolumens ihr Atemminutenvolumen bis auf 150 bis 200 l pro Minute annähernd verdoppeln.

Dies wäre unser zweiter Grenzwert: Das Atemminutenvolumen des Maximalausdauertrainierten kann ca. 150 bis 200 l pro Minute betragen.

Das dritte Organsystem ist das Blut als Sauerstoff- und Nährstoffträger. Das Blut setzt sich zusammen aus dem Blutplasma und den Blutzellen. Ein normalgewichtiger, untrainierter Mann verfügt z.B. über ein Blutvolumen von 5,4 l. Ca. 46 % der Blutes bestehen dabei aus Blutzellen, die restlichen 54 % sind Blutplasma, also Wasser, Gerinnungsfaktoren, Eiweiße, etc. Für den Sauerstofftransport ist der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin verantwortlich. Ein Gramm Hämoglobin kann maximal 1,34 ml Sauerstoff binden. Dies bedeutet jedoch auch, daß Menschen mit einem höheren Hämoglobingehalt mehr Sauerstoff binden können. Der normale Hämoglobingehalt eines Mannes beträgt ca. 14 bis 16 g/dI. Ein Hämoglobinabfall von 15,5 auf 14,0 g/dl kann zu einem Leistungsverlust von ca. 5 % führen. Umgekehrt führt ein Leistungstraining in großer Höhe zu einem Anstieg des Hämoglobinwertes im Blut als Kompensationsmechanismus. Bewohner von hochgelegenen Bergregionen (z. B. Anden) haben einen erheblich höheren Hämoglobingehalt des Blutes, um in dieser Höhe leistungsfähig zu sein.

Diese Tatsache ist der Hintergrund dafür, daß in einigen Sportarten versucht wird, durch Höhentraining die Leistungsfähigkeit zu steigern. Das Hormon, welches zu einer erhöhten Hämoglobinbildung im Blut führt, Erythropoetin, wird auch als Dopingmittel eingesetzt. Zu hohe Hämoglobinwerte verändern die Fließeigenschaften des Blutes und können zu Gerinnseln und Embolien führen.

Durch intensives Ausdauertraining kommt es zu einer Zunahme sowohl der Blutzellen als auch des Blutplasmas. Da das Blutplasma in Relation zu den Blutzellen stärker zunimmt, führt dies zu einem relativen, prozentualen Abfall der Blutzellen, was eine Blutarmut bei Hochleistungssportlern vortäuschen kann. Tatsächlich kommt es aber z. B. zu einem Anstieg des gesamten Blutvolumens auf 6,9 l und einem Rückgang der Blutzellen auf relativ 42 %. Absolut gesehen bedeutet dies jedoch, daß der Leistungssportler über deutlich mehr Blutzellen verfügt als der Untrainierte. Diese »Sportleranämie« existiert somit nicht, sie resultiert aus dem Unterschied zwischen »relativ« und »absolut«.

Für unser drittes Organsystem gibt es somit keinen eindeutig klaren Grenzwert, ein Hämoglobinwert von 15,5 g/dl sollte aber zumindest vorliegen.

Faßt man die o. g. Erkenntnisse zusammen, so besteht die entscheidende Aufgabe des Herzkreislaufsystems darin, Sauerstoff aufzunehmen und zu den sauerstoffverwertenden Teilsystemen zu transportieren.

Wie kann ich aber die verschieden Größen wie Herzzeitvolumen, Atemminutenvolumen und Hämoglobinwert in ein vernünftiges Verhältnis setzen, um so die maximale Leistungsfähigkeit und die Belastungsgrenzen anzugeben? Wir brauchen eine Größe, die die Leistungsfähigkeit der sauerstoffaufnehmenden, sauerstofftransportierenden und sauerstoffverwertenden Teilsysteme repräsentiert. Welche Größe wäre jedoch geeigneter als die Sauerstoffaufnahme selbst? Wenn es gelingt, die maximale Sauerstoffaufnahme zu messen, so könnte man daraus Rückschlüsse ziehen, wie gut die einzelnen Teilsysteme zusammenarbeiten und sich ergänzen. Dies wäre ein zuverlässiges Maß für die maximale aerobe (mit Sauerstoff erbrachte) Leistungsfähigkeit.

In der Tat ist es möglich diese maximale Sauerstoffaufnahme (VOc max) zu messen. Dies geschieht mit Hilfe der Spiroergometrie. Dabei atmet ein Proband während einer Belastung z.B. auf dem Fahrradergometer durch eine Maske ein und aus. Gemessen wird dabei die Menge Raumluft, die ein- und ausgeatmet wird und die COc-Abgabe in der Ausatemluft. Vergleicht man nun Ein- und Ausatemluft miteinander, so läßt sich berechnen, wieviel Sauerstoff tatsächlich von dem Probanden pro Minute aufgenommen wurde. Diese Größe gilt international als zuverlässiges Maß für die maximale aerobe Leistungsfähigkeit.

Die maximale Sauerstoffaufnahme steigt an bei:

• Zunahme der muskulären Sauerstoffverwertung (Steigerung der Aktivität der Enzyme des aeroben Energiestoffwechsels in langsam kontrahierenden Muskelfasern)
• Erhöhung der Sauerstofftransportkapazität.

Die Entwicklung der maximalen Sauerstoffaufnahme setzt aber ein Training im individuellen motorischen Grenzbereich voraus. Dies bedeutet das 5 bis 15 % des Trainings intensiv, d. h. mit Überschreiten der aeroben Kapazität erfolgen sollte.

Haben wir sie nun endlich gefunden, die Meßgröße mit der die Grenzen der Belastbarkeit des Herzkreislaufsystems abschätzbar ist? Nicht ganz. Wir haben bei unseren Überlegungen zum Herzkreislaufsystem den Energielieferanten außer Acht gelassen, der die ganze Maschinerie in Betrieb hält: den Stoffwechsel. Fordert die Muskulatur mehr Energie an, als der Stoffwechsel aerob (also unter Sauerstoffzufuhr) liefern kann, so wird auf einen anaeroben Stoffwechselweg umgeschaltet. Dies führt jedoch zu einem starken Anfall von sauren Stoffwechselprodukten, insbesondere Lactat. Das Absinken des Säurewertes im Blut (pH-Wert) führt jedoch zur Beeinträchtigung einer Reihe von Enzymen, was zu einer Behinderung der Sauerstofftransportkette führt. Schlußendlich kann dies zur Folge haben, daß die Belastung abgebrochen werden muß.

International anerkannt ist die maximale Sauerstoffaufnahme, wie sie bei der Spiroergometrie gemessen wird, noch der zuverlässigste Wert um die Belastungsgrenzen des Einzelnen und die Leistungsreserven abzuschätzen.

Glücklicherweise ist es aber nicht so, daß damit sportliche Erfolge in Ausdauersportarten, die insbesondere von der Herz-Kreislaufleistung abhängen, vorhersehbar wären. Im Gegenteil: Betrachtet man die Siegerleistungen in Ausdauersportarten wie 10 000-Meter-Lauf, Triathlon, Radrennfahren, Skilanglauf, etc. so ist es in den letzten Jahrzehnten zu einer gleichmäßigen und linearen Entwicklung gekommen, deren Ende nicht absehbar ist. Trotz aller Meßwerte und aller Rechnerei - es bleibt spannend!