Bestimmung des Energieumsatzes im Sport

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Definition und Erklärung des Energieumsatzes
2.1. Der Grundumsatz
2.2. Der Ruheumsatz
2.3. Der Arbeitsumsatz und Wirkungsgrad

3. Messmethoden des Energieumsatzes
3.1. Fahrradergometrie
3.2. Laufbandergometrie

4. Methoden zur Messung des Energieumsatzes
4.1 Direkte Kalorimetrie
4.2 Indirekte Kalorimetrie
4.2.1. Geschlossenes Spirometer
4.2.2. Offenes Spirometer

5. Der Energieumsatz bei differierenden Sportarten

6. Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

„Jede lebende Zelle benötigt zur Aufrechterhaltung ihrer allgemeinen und speziellen Funktions- und Leistungsfähigkeit einen ständigen Energiefluss“ (Geiss/Hamm, 1992, S. 17). Da der menschliche Körper aus biologischer Sicht ein großer Verband von Zellen und Zellstrukturen ist, die in Zusammenarbeit unterschiedliche Handlungen ausüben, wird ersichtlich, dass wir in allem was wir tun unserem Körper Energie abverlangen. Je nach Handlung ist dieser Energieverbrauch des Körpers kleiner (z.B. beim Schlafen) oder größer (z.B. bei Schwerstarbeit). Entscheidend ist es nun, dass der Mensch genügend Energie aufnimmt, um diesen Energieverbrauch – auch Energieumsatz genannt – wieder auszugleichen und somit seine Körperfunktionen und seine Leistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Energiespender ist hierbei die Nahrung, welche die dem Menschen sehr bedeutsamen Nährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße enthält. Der Frage nach der Zusammensetzung und Menge der Mahlzeiten kommt in der heutigen Gesellschaft, in der Übergewicht und Fettsucht weitreichende Probleme darstellen, eine große Bedeutung zu. Um die Antworten zu verstehen ist es notwendig, dass man sich der Bedeutung des Energieumsatzes bewusst wird.

Wie sich dieser zusammensetzt, von welchen Faktoren der Energieumsatz abhängt, mit Hilfe welcher Methoden er sich bestimmen lässt, welche Bedeutung er für einzelne Sportarten und deren Ausübung hat und wieso trotz vieler wissenschaftlicher Untersuchungen immer noch eine gewisse Uneinigkeit im Themenkomplex des Energieumsatzes vor allem bezüglich des Sporttreibens vorherrscht, wird in dieser Seminararbeit zur Sprache kommen.

2. Definition und Erklärung des Energieumsatzes

Wie eben erwähnt, benötigt der Mensch in der Hauptsache Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße um Energie zu gewinnen. Jeder Nährstoff liefert bei Verbrennung ein bestimmtes Maß an Energie, den so genannten physikalischen Brennwert. Während sowohl Kohlenhydrate wie Fette einen durchschnittlichen physikalischen Brennwert von 17,3 kJ/g bzw. 38,9 kJ/g aufweisen, der gleichzeitig ihrem physiologischen Brennwert entspricht, verhält es sich bei den Proteinen etwas anders. Hier kann unser Organismus bei der Oxidation Eiweiß nicht ausschließlich bis zu den energielosen Endstufen CO2 und Wasser abbauen. Es fällt noch energiereicher (10,5 kJ/g) Harnstoff an, der über den Urin ausgeschieden wird. Somit besitzt Eiweiß neben seinem physikalischen Brennwert von 23,9 kJ/g einen niedrigeren physiologischen Brennwert von 17 kJ/g) (Geiss/Hamm, 1992, S. 17-19). Ein grober Richtwert zum richtigen Ernährungsverhältnis von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen für sportlich orientierte Menschen wird von Ernährungsberatern mit 60:25:15 angegeben.

Der Mensch wandelt diese Stoffe stufenweise in Energie um. Jedoch wird bei diesem Nährstoffabbau ein großer Anteil der Energie nicht in Arbeit sondern – gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik – in Wärme umgewandelt, die der Mensch an die Umgebung abgibt. Die Bedeutung dieses Faktes wird in der Folge noch näher erläutert.

2.1. Der Grundumsatz

Dass der Mensch zur Aufrechterhaltung seiner vitalen Funktionen Energie benötigt kam oben schon zur Sprache. Nun ist es – im speziellen für die Medizin z.B. zur Überprüfung der Schilddrüsenaktivität – von Wichtigkeit einen Richtwert zu ermitteln, der sozusagen den täglichen Mindestenergieverbrauch eines Menschen verdeutlicht. Hierzu hat man folgende Voraussetzungen getroffen, unter welchen dieser Richtwert, als Grundumsatz bezeichnet, Gültigkeit besitzt: Die untersuchte Person muss sich vor sowie während der Untersuchung in vollständiger Ruhe befinden, was bedeutet, dass die Person im Liegen zu untersuchen ist und sie vorher keine körperliche Anstrengung unternommen haben darf. Weiterhin muss der Untersuchte nüchtern sein (12 Stunden ohne Nahrungsaufnahme), wobei insbesondere im Voraus auf eine Aufnahme von Eiweißen zu verzichten ist, da dies eine erhöhte Stoffwechselaktivität von bis zu 24 Stunden zur Folge haben kann. Als letzter Punkt zur Erfüllung der Grundumsatzkriterien muss erwähnt werden, dass sich die Person in Behaglichkeits- bzw. Indifferenztemperatur befinden muss (ca. 20-22 °C) und keine erhöhte Körperkerntemperatur besitzen darf (Bartels&Bartels, 2001, S. 87). Schmidt und Thews beschreiben diesen Umstand als „morgendlichen Ruhe-Nüchternumsatz bei Indifferenz-temperatur“ (1997, S. 641).

Trotz dieser Standardisierung der Messbedingungen ergeben sich differierende Ergebnisse. Dies lässt sich auf den Einfluss weiterer Faktoren zurückführen. Vornehmlich wären dies Körpermasse bzw. Körperoberfläche (ermittelbar über Abb. 2), Geschlecht sowie Alter. In Abbildung 1 erkennt man sehr deutlich, dass gerade im Wachstum der Grundumsatz bis um die Hälfte höher liegt als bei einem erwachsenen Menschen ab ca. 20 Jahren, wobei sich dessen Grundumsatz im Vergleich zu dem eines 60-70 jährigen auf einem 15% höheren Level befindet. Auch die geschlechtsspezifischen Unterschiede sind gut zu erkennen. So hat der Mann einen durchschnittlich 10% höheren Umsatz als die Frau, was sich durch die stoffwechselsteigernde Wirkung des männlichen Sexualhormons Testosteron, sowie durch die relativ geringere stoffwechselaktive Muskulatur der Frau und deren relativ größeren Fettgewebeanteil erklären lässt (de Marées, 2002, S. 388).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Abhängigkeit des Grundumsatzes von Alter und Geschlecht (aus: Geiss/Hamm, 1992, S.21)

Aber auch Tages- und Jahreszeit (im Winter erhöht sich der Grundumsatz), eben erwähnte hormonelle wie zentralnervöse Einflüsse als auch eine Veränderung der Körpertemperatur durch endogene (z.B. Fieber) und exogene Faktoren (z.B. das Klima) haben eine den Grundumsatz verändernde Wirkung.

Horst de Marées führt als Faustregel für die Größe des Grundumsatzes folgende Formel an:

Von den einzelnen Organen sind hierbei die Muskulatur und die Leber zu jeweils 26, das Gehirn mit 18, das Herz zu 9 und die Nieren zu 7 Prozent am gesamten Grundumsatz beteiligt. (de Marées, 2002, S. 388)

2.2. Der Ruheumsatz

Muskuläre Aktivität, Verdauungstätigkeiten und wärmeregulatorischen Maßnahmen erhöhen den Energieverbrauch des Menschen über den Grundumsatz hinaus. Man spricht hierbei vom Ruheumsatz, der bei völliger Ruhe, jedoch ohne Einhaltung der Grundumsatzbedingungen gemessen wird und ca. 115% des Grundumsatzes beträgt. Die Differenz zwischen Ruhe- und Grundumsatz wird als Leistungszuwachs bzw. -zuschlag bezeichnet.

2.3. Der Arbeitsumsatz und Wirkungsgrad

Der Arbeitsumsatz ist die Differenz zwischen Gesamtumsatz und Ruheumsatz und stellt somit die für die Ausführung einer Tätigkeit notwendige Energie dar. Da wie vorher schon beschrieben die aufgewandte Energie zu einem Großteil in Form von Wärme verloren geht, ist es sinnvoll eine Art Gradmesser zu benutzen, der zur Feststellung des Verhältnisses Arbeitsumsatz zu tatsächlich erbrachter Arbeit dient. Hierzu verwendet man den Wirkungsgrad h, der sich wie folgt darstellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Angaben über den mit körperlicher Leistung maximal erzielbaren Wirkungsgrad schwanken zwischen 20 und 30 %. Der hier genannte Wirkungsgrad wird auch Nettowirkungsgrad genannt, weil er nur den Arbeitsumsatz, nicht jedoch den Gesamtumsatz in Beziehung zur erbrachten Leistung setzt. Da sich die Einheit J in oben genannter Formel wegkürzt, spricht man von h meist in Prozentwerten.

Der besseren Verständlichkeit wegen sollen hier Beispiele aus der Praxis zu Sprache kommen: Ein Trainer läuft am Beckenrand entlang und legt zu Land die gleiche Strecke in der gleichen Zeit zurück wie sein Schüler, der sich jedoch im Wasser befindet. Während der Schüler nach Zurücklegung der Strecke ziemlich erschöpft nach Atem ringt, merkt man dem Trainer keine Erschöpfung an. Aus dieser von vielen Leuten schon erlebten bzw. beobachteten Reaktion lässt sich schließen, dass der schwimmende Mensch wesentlich mehr Energie aufbringen muss als der laufende. Dies spiegelt sich auch im Wirkungsgrad wider. Während das Schwimmen vor allem aufgrund des höheren Wasserwiderstandes gegenüber dem der Luft einen Wirkungsgrad von nur 3-6% aufweist, besitzt das Laufen auf ebener Strecke einen Messwert von ca. 20 % (de Marées, 2002, S. 378-380).

Während für 80% der Bevölkerung eine Energiezufuhr von 2400 kcal oder 10000 kJ ausreichend ist, beträgt der Energieumsatz von Schwerstarbeitern ca. 20000 kJ. Radrennfahrer bei Bergetappen oder auch saisonal arbeitende Holzfäller in Kanada erreichen Energieumsätze von 38000-40000 kJ pro Tag, die sie bei einer maximalen Nahrungsaufnahme von 30000 kJ/Tag nicht decken können. Dadurch ergibt sich, dass solche Belastungen nicht über längere Zeit erbracht werden können. Im Sport erreicht der Energieumsatz meist höhere Werte als bei Alltagstätigkeiten, wobei die Dauer der sportlichen Belastung zumeist um ein Vielfaches kürzer ist. Wie sich der Energieumsatz messen lässt, wird im folgenden Kapitel beschrieben.

3. Messmethoden des Energieumsatzes

Um die Leistungsfähigkeit festzustellen benutzt man in der medizinischen Leistungs-diagnostik vordergründig Ergometer (Kraftmesser). Diese Apparaturen gewährleisten die Erbringung einer standardisierten, wiederholbaren und zumeist leicht zu messenden – hauptsächlich dynamischen – Leistung, die somit zu Vergleichen herangezogen werden kann. Hierbei lassen sich die Veränderungen der Herz-Kreislaufkomponenten wie Sauerstoff-aufnahme oder Herzfrequenz messen und der physikalischen Leistung gegenüberstellen, wodurch wird der Energieverbrauch messbar wird.

Ein „Ziel der Ergometrie ist es, (…) bei Athleten das Training zu steuern und deren Wettkampfleistung vorherzusagen“ (Klinke & Silbernagl, 1996, S. 512). Man unterscheidet zwischen sportartspezifischen – wie z.b. Drehkurbelergometrie oder Schwimmen im Strömungsbecken – und sportartunspezifischen Testverfahren. Zu diesen gehören Kletterstufentests, Fahrrad- und Laufbandergometrie, wobei vor allem Letzteren auf Grund ihrer geringen Wirkungsgradunterschiede und Ortsgebundenheit bei der Energieumsatzbestimmung große Bedeutung zukommt.

[...]