Mit rund 30 mathematischen Gleichungen lässt sich die sportliche Belastung des menschlichen Körpers virtuell nachstellen.
Energiestoffwechsel
Sportmedizin entdeckt jahrzehntealte Computersimulationen
Für Hermann Heck sind sie ein alter Hut: die mathematischen Gleichungen, die den menschlichen Energiestoffwechsel beschreiben. Seit den 1980er-Jahren arbeitet er damit. Lange Zeit bemerkte das aber niemand.
In den 1980er-Jahren führten Prof. Dr. Alois Mader und RUB-Emeritus Prof. Dr. Hermann Heck Computersimulationen zum menschlichen Energiestoffwechsel durch. Die wissenschaftlichen Publikationen dazu erschienen im Wesentlichen in deutscher Sprache. Damit blieben die Veröffentlichungen in der internationalen Forschungsgemeinde weitestgehend unbemerkt. 40 Jahre später wird der Schatz endlich gehoben. Die jahrzehntealten Erkenntnisse sind nun in eine frei verfügbare Software gemündet, die den menschlichen Körper unter sportlicher Belastung virtuell nachstellt und Phänomene wie muskuläre Ermüdung biochemisch erklären kann.
Begleitend erschien am 28. September 2026 eine Publikation in der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Science“, kurz PNAS – mit Hermann Heck unter den Autorinnen und Autoren.
Kongeniales Duo mit Biochemie- und Mathe-Expertise
Die Begeisterung für den menschlichen Energiestoffwechsel packte Hermann Heck schon in den 1970er-Jahren. Damals war er als wissenschaftlicher Assistent an der Sporthochschule Köln tätig, wo er auf Alois Mader traf. Dieser hatte sich einen Ruf auf dem Gebiet der Lactat-Forschung erarbeitet. Fortan kooperierten die beiden. „Alois Mader kannte sich besser mit Biochemie aus, ich besser mit Mathematik“, erzählt der heute 86-jährige Heck. „Das hat sich wunderbar ergänzt.“
Mader und Heck forschten nicht nur gemeinsam zur Lactat-Schwelle, sondern erarbeiteten im Lauf der Jahre ein System aus über 30 mathematischen Gleichungen, die den Energiestoffwechsel des menschlichen Körpers beschreiben. „Damit konnten wir zehn verschiedene Phänomene des Energiestoffwechsels, zum Beispiel Ermüdung, allein anhand von biochemischen Prozessen erklären, ohne Aspekte wie den Willen oder das Nervensystem heranziehen zu müssen“, erklärt Hermann Heck. Will man also wissen, warum ein Muskel seine Leistung nicht mehr bringt, findet man die Antwort in den Gleichungen.
Hermann Heck war von 1991 bis 2005 an an der Ruhr-Universität Bochum im Institut für Sportmedizin tätig.
„Unsere Muskeln sind so etwas wie der Motor eines Autos“, vergleicht der ehemalige Leiter des Bochumer Lehrstuhls für Sportmedizin. „Unser Benzin ist dabei das Energiespeichermolekül ATP.“ Das mathematische Modell von Mader und Heck beschreibt beispielsweise, wie ATP aus der Nahrung gewonnen wird, bei der Muskelarbeit verbraucht wird und dann vom Körper in einem selbstregulierenden Prozess nachproduziert wird. Auch andere Stoffwechselprozesse bildeten die Forscher mathematisch ab.
Als ich mein erstes Programm schrieb, drückte man abends auf den Knopf und sah am nächsten Morgen die berechneten Kurven.
Die Gleichungen fütterten Alois Mader und Hermann Heck bereits in den 1980er-Jahren in eine Computersimulation ein. „Als ich mein erstes Programm schrieb, waren die Computer noch sehr langsam“, erinnert er sich. „Da drückte man abends auf den Knopf und sah am nächsten Morgen die berechneten Kurven.“
Die mit dem PNAS-Artikel zusammen veröffentlichte Software „MetaboliSim“ funktioniert selbstredend deutlich schneller. „In das Programm kann man die Eigenschaften eines individuellen Körpers eingeben, also sozusagen wie viel PS die Person hat“, erklärt Heck. „Dann kann man zum Beispiel simulieren, wie der Energiestoffwechsel dieser Person auf die Belastung eines Marathons reagieren würde.“ Schon jetzt ermöglichen sie ein detailliertes Verständnis des muskulären Energiestoffwechsels.
Das Gesuchte war schon da
„Ich freue mich, dass diese Forschung jetzt wahrgenommen wird“, sagt Hermann Heck. Dabei half, dass er 2022 gemeinsam mit Ulrich Bartmus und Volker Grabow ein Buch veröffentlichte, von dem er ein entscheidendes Kapitel ins Englische übersetzen ließ. „Auf einmal merkten internationale Forscherinnen und Forscher, dass ganz viele Erkenntnisse, die sie suchten, schon da waren“, erzählt Heck. „Da habe ich die eine oder andere begeisterte E-Mail erhalten.“
Auf dem aktuell erschienenen PNAS-Paper ist Hermann Heck übrigens keineswegs nur wegen seiner vergangenen Verdienste um die mathematischen Gleichungen als Autor gelistet. Er initiierte die Studie gemeinsam mit Prof. Dr. Henning Wackerhage von der Technischen Universität München, tauschte sich mit den internationalen Partnern in Neuseeland und den USA aus, führte einen wesentlichen Teil der beschriebenen Computersimulationen durch und validierte gemeinsam mit der Leipziger Forscherin Dr. Katharina Dunst die Software „MetaboliSim“.
Solange der Kopf mitmacht, werde ich mich weiter mit dem Energiestoffwechsel beschäftigen.
Obwohl Hermann Heck seit 21 Jahren emeritiert ist, arbeitet er bereits an seiner nächsten wissenschaftlichen Publikation zum Energiestoffwechsel. „Solange der Kopf mitmacht, werde ich mich weiter damit beschäftigen“, kündigt er an. „Ich mache das gerne.“
