Eine aktuelle Studie der Universität Koblenz macht deutlich, die Fitness der Wadenmuskulatur spielt bei der gesamten zu betrachtenden Muskelarchitektur im Bereich der unteren Extremitäten eine entscheidende Rolle bei der Maximierung von Kraftproduktion. Diese zeigt sich bei Sportarten die auf eine schnelle oder spontane Kraftentwicklung angewiesen sind am herausragensten.

Koblenz, 18. September, 2024. Das lateinische Wort für „Feder“ ist penna“, bedeutet damit Übersetzt Pennation oder Fiederung und gibt der Muskulaurausprägung für diesen komplex organisierten Bereich der unteren Muskelarchitektur den zutreffenden Namen. Das diese gefiederten Muskelfasern in einem Winkel zur Sehne angeordnet sind, scheint dabei eine geniale evolutionäre Lösung zur Maximalen Kraftentwicklung.

Gefiedert angeordnete Muskeln können mehr Muskelfasern in einem vergleichbaren Volumen unterbringen. Diese sind damit kürzer, die Querschnittsfläche aber kann sich vergrößern was sich auf die Kraftproduktion auswirkt. Bekannt als physiologischer Querschnitt (PCSA) und gilt als Indikator zur Fähigkeit des Muskels Kraft zu erzeugen. Je mehr Muskelfasern nebeneinander liegen, desto größer die Maximale Kraftwirkung, was sich von aussen betrachtet auf einen optisch grossen Muskel auswirkt. Die Entwicklung von schneller Kraftentwicklung geht aber immer zu lassten der Ausdauer.

Ein weitere Kriterium der Studie hat sich bei der Muskelkontraktion in Bezug auf Geschwindigkeit deutlich gemacht. Während Muskulatur Teleskopartig kontrahiert, sind bei schnell zuckenden Muskelfasern diese Teleskope verkürzt und damit nicht lang genug um effiziente Geschwindigkeit zu produzieren. Die fasern und damit die Kraft verteilen sich auf die Parallelität der Fasern.

Die Forschenden konnten aber zeigen, dass es bei einem gegebenen Verhältnis von Länge zu Dicke einen optimalen Fiederungswinkel gibt, um maximale Kraftproduktion zu ermöglichen. Dieses Phänomen nannten sie den mechanischen Fiederungsvorteil oder auch pennation mechanical advantage (PMA).

Der Wadenmuskel ist kurz und daher nicht optimal für ein gefiederes Design. Die Extensoren des Beines überkreuzen nur ein Gelenk, Knöchel, Knie und Hüfte. Nur an diesen stellen weisen die Fasern den für die optimale Kraftentfaltung erforderlichen Winkel auf und haben damit den höchsten PMA. In diesem zusammengehörigen Verhältnis kann die Muskelarchitektur die maximal erforderliche Kraft und damit dem sechsfachen der Kontraktionskraft erzeugen. Dem Gesässmuskel kommt im System die motorischen Kontrolle und schnelle Bewegung zu.

Zukunft der Muskel-Forschung führt zur Biomechanik und Robotik wo die Fiederung neue Ansätze zu bieten hat. Man könnte über bessere Trainingsmethoden für Sportler, verbesserte Rehabilitationstechniken für Verletzungen und sogar effizientere Designs für Roboter und Prothesen nachdenken, die menschliche Bewegungen nachahmen, sofern sie künstliche Muskelantriebe einsetzen. Während weiterhin über die Muskelarchitektur geforscht wird, zeigt sich, dass die Natur unsere Muskeln auf eine Weise optimiert hat, die sowohl raffiniert als auch effizient ist. Das clevere, gefiederte Design einiger der Bein-Muskeln ist ein natürliches Ingenieurkunstwerk, das über Millionen von Jahren perfektioniert wurde.

Originalpublikation:

DOI: 10.1098/rsos.240037

Bildquelle: Karolina Kaboompics Pexels