Die Evolution des menschlichen Knies und ihre modernen Probleme

Das schmerzhafte Stöhnen beim Aufstehen vom Sofa oder das Knirschen von Knorpel auf der Treppe kennen viele nur zu gut. Wir blicken auf unsere schmerzenden Knie und verfluchen sie – und fragen uns, weshalb sie sich offenbar dazu entwickelt haben, so häufig wehzutun.

Doch das menschliche Knie blickt auf eine komplexe Evolutionsgeschichte zurück. Neue Forschungsergebnisse zeigen zudem, wie wenig wir darüber bislang verstanden haben.

Das Knie hat sich in Grösse und Form stark verändert. Diese Anpassungen ermöglichten unseren frühen Vorfahren nicht nur den aufrechten Gang, sondern unterschieden uns, Homo sapiens, auch von ausgestorbenen genetischen Verwandten wie Homo erectus und Homo neanderthalensis (Neandertalern).

Neben anderen evolutionären Kräften, etwa zufälligen Mutationen und genetischer Vererbung, hat die natürliche Selektion das Knie vermutlich so geformt, dass wir effizienter und über längere Zeit auf zwei Beinen gehen können als unsere Verwandten.

Moderne Lebensweise und Kniearthrose

Viele Kniebeschwerden, mit denen wir heute konfrontiert sind, kannten unsere Vorfahren nicht. Eine Studie aus dem Jahr 2017 deutete beispielsweise darauf hin, dass die bewegungsarme Lebensweise der postindustriellen Welt die Häufigkeit der Kniearthrose – der verbreitetsten Arthroseform im Knie – um das 2.1-Fache erhöht haben könnte.

Als Forschende Überreste von Jägern und Sammlern untersuchten, die vor bis zu 6.000 Jahren lebten, stellten sie fest, dass Kniearthrose damals vermutlich überhaupt kein Problem war. Im Vereinigten Königreich hat heute mehr als ein Drittel der Menschen über 45 Jahren wegen Arthrose eine Behandlung in Anspruch genommen – hauptsächlich wegen Beschwerden am Knie.

Weniger kräftige Muskeln, die Gelenke stabilisieren und schützen, sowie vergleichsweise schwächerer Knorpel, der das Reiben der Knochen abfedert, sind wahrscheinlich Folgen davon, dass Menschen deutlich weniger aktiv sind als früher. Wer im Büro sitzt oder auf dem Laufband trainiert, baut weniger Muskulatur auf als jemand, der den grössten Teil des Tages in anspruchsvollem Gelände Hirsche jagt.

Damit sich Knie ohne Arthrose entwickeln könnten, müssten bewegungsarme Menschen mit „guten“ Knien über viele Generationen hinweg mehr Kinder bekommen als bewegungsarme Menschen mit „schlechten“ Knien.

Sesambeine hinter dem Knie

Doch die Zusammenhänge sind noch komplizierter. Das Knie ist ein ausgeklügeltes biologisches System, das die Wissenschaft noch nicht vollständig entschlüsselt hat.

Das gilt besonders für Sesambeine: kleine Knochen, die – ähnlich wie die Kniescheibe – in Sehnen oder Bänder eingebettet sind. Solche Knochen können im gesamten Skelett von Säugetieren vorkommen.

Daher können einige Säugetiere Sesambeine besitzen, während andere Individuen derselben Art keine haben. Ein Beispiel ist die laterale Fabella. Sie liegt hinter dem Knie und findet sich heute durchschnittlich in 36.80 Prozent menschlicher Knie.

Trotz Forschung über mehrere Jahrhunderte hinweg ist nur wenig darüber bekannt, wie sich Sesambeine entwickelten und wuchsen, weshalb sie bei manchen Arten vorkommen und bei anderen nicht. So wenig ist darüber bekannt, dass Sesambeine in den zusammengesetzten Skeletten in Museen oft fehlen: Sie werden zusammen mit der Muskulatur, in die sie eingebettet sind, entsorgt.

Neue Arbeiten meiner Kolleginnen, Kollegen und mir haben gezeigt, dass sich zwei dieser häufig missverstandenen Knochen – die mediale und die laterale Fabella hinter dem Knie – bei Primaten auf unterschiedliche Weise entwickelt haben könnten. Möglicherweise halfen sie frühen Menschen dabei, den aufrechten Gang zu erlernen.

Unsere Untersuchung war eine systematische Auswertung von drei Sesambeinen bei 93 verschiedenen Primatenarten, darunter weitere Hominiden und gemeinsame Vorfahren des Menschen.

Die Ergebnisse zeigten, dass Menschen für diese Knochen eine eigenständige Evolutionsform aufweisen, die möglicherweise mit dem Ursprung der Hominoiden begann – jener Primatengruppe, zu der Menschenaffen und Menschen gehören.

Evolution des Knies und Anpassungsfähigkeit

Forschende gehen davon aus, dass die Nutzung des bereits vorhandenen Fabella-Knochens für eine neue Funktion – eine sogenannte Exaptation – frühen Menschen beim Übergang vom Gehen auf vier Gliedmassen zum zweibeinigen Gang geholfen haben könnte. Interessanterweise steht dieser Knochen auch mit höheren Arthroseraten in Verbindung. Menschen mit einer Fabella entwickeln die Erkrankung doppelt so häufig. Evolution ist kein geradliniger Weg zu biomechanischer Effizienz.

Noch komplexer wird das Bild, wenn wir bedenken, dass Knie im Unterschied zu Zähnen „plastisch“ sind. Das bedeutet, dass sie sich abhängig von Faktoren wie Ernährung und Belastung verändern und anpassen. Zähne hingegen passen sich nach dem Wachstum nicht mehr an, sondern werden lediglich beschädigt. Deshalb ist Bewegung im Alter so wichtig: Sie trägt dazu bei, die Knochen kräftig zu halten.

Knie reagieren auf Nutzung – ebenso wie auf mangelnde Nutzung – mit Veränderungen und Anpassungen. Als wichtigste Hypothese dafür, weshalb Fabellae häufiger werden, gilt beispielsweise die weltweit bessere Ernährung, durch die Menschen grösser und schwerer werden. In den vergangenen rund 100 Jahren hat sich das Vorkommen der Fabella weltweit verdreifacht, wobei es regionale Unterschiede gibt.

Wir wissen, dass die Evolution des menschlichen Knies nicht geradlinig verlief, sondern verschiedene Verzweigungen nahm. Ebenso ist klar, dass wir auf eine Weise leben, an die unser Körper schlecht angepasst ist. Veränderungen unseres Lebensstils sind wahrscheinlich verantwortlich für Knieprobleme, die mit der Zeit schwerwiegender geworden sind.

Das Knie entwickelte sich nicht für die Epoche, in der wir heute leben. Und der Knochen, der uns möglicherweise überhaupt erst beim Gehen half, könnte untrennbar zu diesen Problemen beitragen.

Wenn Ihre Knie also auf dem Laufband nachgeben oder beim Sitzen schmerzen, denken Sie an sie: Evolution ist nicht so einfach, wie sie scheint.

Michael Berthaume, Reader im Department of Engineering, King's College London

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.