Hoe heet werd Lance armstrong op de Alpe d'Huez?

Computermodel van energieomzetting in atleet

Veel dappere fietsers beklommen afgelopen maand de Alpe d’Huez, niet één maar soms wel zes keer. Dat ze het warm hebben gekregen lijkt me duidelijk, maar hoe warm wordt een lichaam precies bij zo’n topprestatie? Dit valt nu te berekenen met behulp van een computermodel, gemaakt door onderzoekers van het VUMC in Amsterdam.

De onderzoekers hadden een uitnodiging ontvangen van het tijdschrift Philosophical Transactions of the Royal Society, die een themanummer wilden maken over de virtuele fysiologische mens. De vraag was of het mogelijk was om een simulatie van een sportende persoon te maken in de computer. De onderzoekers namen deze uitdaging met beide handen aan en kozen voor een computermodel van fietsprestaties. Ze concentreerden zich hierbij op Lance Armstrong, de eens zo fameuze maar nu met dopingverhalen omgeven wielrenner en triatleet. Zijn topprestatie op de Alpe d’Huez in 2001, waarin hij in 39 minuten en 41 seconden de 1839 meter hoogteverschil bedwong, vormde de basis van het model.

De onderzoekers kozen voor Lance Armstrong omdat al zijn fysiologische gegevens ooit zijn gemeten door een sportfysioloog in Austin en zijn gepubliceerd. Zo hoefden de onderzoekers geen nieuwe metingen te doen. Om het computermodel te maken, verdeelden de onderzoekers het lichaam van Lance in 4 lagen: de kern, de spieren, vetweefsel, en de huid. Ze berekenden dat voor zijn geweldige tijd in 2001, Lance, inclusief rol- en luchtweerstand, 450 watt nodig gehad om te fietsen, en produceerde hij 1600 watt warmte. Meer dan driekwart van de energie geproduceerd door de spieren wordt dus omgezet in warmte.

Vervolgens stopten de onderzoekers al deze gegevens in het model en simuleerden zij de warmte van Lance op verschillende momenten – voor de start, net na de start en aan het einde van de klim. Ze zien in dit model dat de temperatuur van de huid eerst daalt door de wind, maar daarna warmer wordt door de warmteproductie van de beenspieren. De beenspieren worden uiteindelijk bijna 40 graden, maar ook de temperatuur in de hersenen stijgt naar een koortsachtige 39 graden Celcius. Bij 41 graden hersenwarmte krijgt een normaal mens een hitteshock. De reden dat Lance Armstrong wel zo hard kan fietsen en wij niet, is waarschijnlijk dat Lance een zodanig vermogen tot zweetproductie en acclimatisatie heeft dat hij zijn hoofd koel kan houden. Daarbij berekenen ze dat voor dit alles een enorm hoge zuurstofopname nodig is van 5,9 liter per minuut (bij een gemiddeld mens is de maximale zuurstofopname zo’n 3.5 liter per minuut).

De onderzoekers plaatsen natuurlijk de kanttekening dat dit maar een model is, en ze de werkelijke temperaturen niet hebben gemeten, maar het zal elkaar niet veel ontlopen. Dit onderzoek had dus vooral een theoretisch nut: aantonen dat je een heel mens in een computermodel kunt stoppen. Maar in de toekomst kan het model bijvoorbeeld gebruikt worden voor het simleren van warmte van gewone mensen die een bizarre prestatie gaan leveren, en kan op basis hiervan eventueel sportadvies gegeven worden.

Dit onderzoek werd gepresenteerd door onderzoeker Hans van Beek op Bessensap, het jaarlijkse “wetenschap ontmoet de pers”- evenement in Den Haag. Zie voor meer informatie over het onderzoek de website van het VUMC. 

Tweelingen: wel of niet gelijk?

Eeneiige tweelingen (Engels: identical twins) ontstaan door het splitsen van één bevruchte eicel, waardoor het erfelijk materiaal van beide leden, het DNA, gelijk is. Tweelingen zijn onmisbaar gebleken voor veel medisch onderzoek; ieder verschil in gedrag, uiterlijk, IQ, ziekte en gezondheid tussen het ene of het andere lid van de tweeling móet namelijk veroorzaakt zijn door omgevingsfactoren. Tweelingonderzoek vormt zo de basis van de vraag of eigenschappen, gedrag en aanleg voor ziektes aangeboren (nature) zijn of veroorzaakt worden door omgevingsfactoren (nurture). Er zijn al meer dan 10.000 artikelen gepubliceerd waarin verschillen en overeenkomsten tussen leden van eeneeiige tweelingen onderzocht zijn. Ook bestaan er vele tweelingonderzoeksinstituten en -databases voor wetenschappelijk onderzoek, zoals ook het Nederlandsetweelingregister. Toch is de tweeling mogelijk niet de super-proefpersoon die we altijd dachten. Een recent verschenen onderzoek suggereert dat eeneiige tweelingen genetisch misschien helemaal niet zo gelijk zijn als altijd werd gedacht. Legt dat een bom onder alle tweelingconclusies uit het verleden?

Epigenetica

Al in de 70’er jaren werd duidelijk dat je DNA  niet je hele leven gelijk blijft. Het vakgebied dat dit bestudeert wordtepigenetica (letterlijk “boven genetica”) genoemd, en er is de laatste 20 jaar steeds meer over bekend geworden. Allerlei gebeurtenissen tijdens het leven, zoals het eten van een hamburger, de geboorte van je kind of een infectie kunnen “chemische vlaggetjes” op het DNA plaatsen (methylatie). Hierdoor wordt het DNA niet echt anders, maar kunnen bepaalde genen vaak wel beter of minder goed gelezen worden. Methylatie verandert zo de activiteit van genen, en kan een effect hebben op een heel individu. Epigenetische veranderingen stapelen zich op tijdens het leven (zie bijvoorbeeld hier) en zo kan bij het ene lid van een tweeling uiteindelijk een bepaald gen makkelijker worden afgelezen. Iets dergelijks is bijvoorbeeld ontdekt in tweelingen waarvan het ene lid de huidziekte psoriasis had en het andere niet. Epigenetische veranderingen kunnen een deel van de verschillen in intelligentie, aanleg voor het ontwikkelen van diabetes en vatbaarheid voor depressies verklaren. Maar de meeste epigenetische veranderingen worden niet doorgegeven aan nakomelingen, en het DNA van de twee leden van de tweeling is eigenlijk nog steeds identiek.

Gekopieerde genen

In 2008 schreven de Amerikaan Carl Bruder met collega’s uit Zweden en Nederland over tweelingen met de ziekte van Parkinson. Het ene lid in een aantal van deze tweelingen had wel Parkinson; het andere niet. Bij vergelijking van het DNA van deze tweelingen zagen de onderzoekers verschillen in het aantal kopieën van bepaalde genen, die mogelijk betrokken konden zijn bij de ziekte van Parkinson (zie hier). Maar hun onderzoek had nog meer impact, want het betekent zelfs dat veranderingen in het DNA kunnen plaatsvinden, nádat de bevruchte eicel zich in twee afzonderlijke embryo’s splitst, (post-twinning).

Na deze studie bleef het een tijdje stil op dit gebied. Andere onderzoekers konden de gegevens niet goed reproduceren. Tot een paar maanden geleden, toen een studie van onderzoekers uit de Verenigde Staten en Nederland verscheen. Zij bestudeerden tweelingen waarvan het ene lid wel, en het andere geen last had van aandachtsstoornissen (zoals ADHD). Ook zij vonden verschillen in het aantal kopieën van bepaalde genen tussen tweelingen, die post-twinning moeten hebben plaatsgevonden. Deze studie versterkt het idee dat tweelingen niet altijd 100% genetisch identiek zijn.

“Identical twins?”

Zo gooit de technische en wetenschappelijke vooruitgang in de genetica roet in het eten van onderzoek van tweelingregisters, en laait het nature-nurture debat wederom op. Heel veel erfelijkheidsstudies zijn namelijk gebaseerd op tweelingonderzoek, met de aanname dat eeneiige tweelingen 100% genetisch identiek zijn. Dat blijkt dus niet altijd zo te zijn. Zoals onderzoeker Bruder in 2008 al zei: “Maybe we shouldn’t call them identical twins, we should call them one-egg twins” (wat we in Nederland altijd al deden). Toekomstig genetisch onderzoek met tweelingen zal ongetwijfeld  nog meer uitwijzen dat ze helemaal niet zo gelijk zijn als we altijd dachten, en dat tweelingonderzoekers nog eens goed naar hun data moeten gaan kijken. Ginsberg, geneticus en lid van een eeneiige tweeling, start de komende jaren zijn eigen genome project, en hoopt met zijn data meer inzicht te krijgen in deze complexe materie. Hij schrijft op zijn blog: “volgens het genome project moeten ik en mijn tweelingbroer op exact hetzelfde moment overlijden aan dezelfde ziekte”. Je kunt op je klompen aanvoelen dat dát niet zo zal zijn.

Dit artikel verscheen op de website van VK opinie en op Sciencepalooza