第十五章环境与运动

第十五章环境与运动
【教学目的与要求】：
1、了解人体保持体温恒定的原理，掌握热环境运动对人体的影响及其热习服的产生。

2、掌握冷环境对人体运动的影响和人在水环境中的急性适应过程。

3、掌握高原环境对生理功能和运动能力的影响。

【教学重点与难点】：
1、热环境运动对人体的影响及其热习服的产生。

2、冷环境对人体运动的影响和人在水环境中的急性适应过程。

【教学方法与手段】
1、教师讲授为主，并密切联系体育实践并与学生互动教学；
2、采用多媒体教学。

【课时分配】：2学时
[提要] 人体在高温、寒冷、水下或高原环境运动时，机体处于环境和运动的双重应激状态，使内环境的稳定性发生变化，机体的功能调节也产生相应的改变。

但是长期处于特殊环境，人体会逐渐适应并重新建立起内外环境统一的新平衡。

本章对在特殊环境下运动时对人体生理和工作能力的影响，以及如何提高人体的适应能力、运动能力和健康水平作简单的阐述。

第一节高原环境与运动
一、高原应激对人体的影响
从生理卫生角度，一般将海拔3000米以上的地区称为高原(high altitude)。

高原是一种低气压、低氧、寒冷、高紫外线辐射的特殊环境，对人体会产生一系列特殊的应激。

其中低氧对人体的影响最大。

㈠最大摄氧量（VO
max）
2
氧分压随海拔的高度增加而下降（表15-1）。

高原的低氧环境会给正常氧运输带来不利的影响。

从平原进入3000米高原时，大气氧分压从21.2Kpa（159mmHg）降为14.7Kpa（110mmHg），肺泡氧分压降低的程度更大。

由于大气氧分压的降低，人体血氧饱和度急骤下降，组织细胞利用氧量就减少。

当海拔高度升到约1524米左右时，最大摄氧量开始下降。

开始阶段每升高300米，最大摄氧量下降约3%，在更高的高度下降的速率更快。

在珠穆朗玛峰高度时，最大摄氧量降低大约70%，估计可低至15毫升/公斤〃分。

由于最大摄氧量的下降，使运动能力明显下降。

（引自Mcardle《运动生理学》1996）
高原环境对运动能力的影响，与海拔高度及运动项目不同而有差异。

根据高原运动与比赛的资料，特别是1968年墨西哥奥运会的一些研究表明：在高原2300米高度比赛时与平原比较，超过2分钟的全身耐力性运动，由于最大摄氧量降低，与有氧工作能力有关的竞技成绩会明显下降。

例如，1500米跑的成绩下降3%；5000米和10000米的成绩大约下降8%。

在高原游泳比赛，100米的成绩下降2%~3%左右，400米以上的成绩下降6%~8%左右。

短时间、高强度的项目，即持续时间不超过1分钟的剧烈运动，特别以技术为主的项目（短跑、跳类、投掷、铁饼）并未受高原负面影响，空气阻力小，反而运动成绩略提高。

㈡肺通气量
从平原到达高原时最重要的反应就是由于氧分压下降所引起的肺通气过度。

当高度达到2348米时，安静时的肺通气量开始以指数形式增加。

由于高原缺氧刺激了颈动脉体与主动脉体外周化学感受器，反射性地引起呼吸加深加快，肺通气量加大。

而肺通气过大，会造成过度换气，排出的
CO
2过多，使肺泡和血液CO
2
分压下降，血液和脑脊液中pH升高偏碱性，易发生代偿性的呼吸性碱
中毒，而对呼吸中枢有抑制作用，反射性引起肺通气量减少。

因此在高原缺氧时，同时存在通气加快和减慢的相互对抗的两种调节机制。

在一般情况下，缺氧引起的肺通气功能增强的现象是主要的。

而且在高原停留期间一直保持在上升水平。

肺通气量的增加提高了肺泡氧分压，有利于氧的运载。

㈢心血管反应
在高原初期，由于肺内血氧不足，靠加大血循环量来代偿。

心率和心输出量增加，而每搏输出量没有变化。

每分输出量的增加主要靠心率的加快，心率增加可以补偿运输氧能力下降。

在平原安静时，心率一般为70次/分，在高原4500米高度时，安静心率可增加至105次/分，这种心率的增加是由于中枢神经系统处于缺氧状态，交感神经受刺激而兴奋所致。

高原期间，动脉血压明显增加与去甲肾上腺素水平增加有关。

㈣高原反应症
初到高原，机体因缺氧而产生一系列反应。

当海拔高度为3353米时，会出现头痛、呼吸困难等所谓急性高山病（AMS）。

这主要是脑缺氧引起的，脑组织对缺氧最敏感，易先受损。

由于体液滞留在脑部或肺部，容易发生高山脑水肿（HAPE）或肺水肿（HACE），会危及生命。

由于高海拔低氧压的影响，抑制了视网膜感光细胞的机能，使视觉感受器对光的敏感性降低。

在1524米高度时，对光敏感性下降5%，到3048米时则下降25%，视力敏锐性下降30%。

6098米时简单反应时损害25%。

二、高原服习（适应）
高原的低氧环境给人体，尤其是呼吸循环机能带来不利的影响。

但是人体在高原地区停留一定时期，机体对低氧环境会产生迅速的调节反应，提高对缺氧的耐受能力称为高原服习(altitude acclimatization)。

高原服习是循序渐进的，所以适应需要时间。

到达2300米高度约需2周时间适应，然后每增加610米，需多1个星期时间去适应，直到达到所需要的高度。

高原服习可分为短期服习（几天、几周、几个月）和长期服习（数年）。

在高原的长期适应过程包括生理和代谢的调节，以便大大增强对高原缺氧的耐受能力。

最重要的调节机制（如表15-2）包括：肺通气量的增加和体内酸碱平衡的调节；血红蛋白和红细胞生成增加以及局部循环和细胞代谢的变化。

后两方面将明显有利于氧运输和利用。

表15-2 高原低氧急性和长期的调节
系统急性长期肺部酸碱平衡通气量增加通气量增加
体液pH升高偏碱性肾脏排出碳酸氢盐减少心血管心率加快心率仍然高
心输出量增加心输出量减少或低于平原水平
每搏输出量不变或略减少每搏输出量减少
最大心输出量不变或略减少最大心输出量减少
血液方面血浆量减少
红细胞压积增加
血红蛋白浓度增加
红细胞数量增加
骨骼肌毛细血管增加
红细胞中2,3-二磷酸甘油酸增多局部线粒体密度增加
肌肉氧化酶含量增多
体重和瘦体重减少
（依Mcardle《运动生理学》1996）
除通过上述变化来服习外，Weine（1976）还将高原服习分为两种：第一为安静状态的服习；第二为与摄氧能力有关的工作状态的服习（图15-1）。

高原适应存在着很大的个体差异。

做登山运动必须在某一高度服习后，在继续征服更高的海拔。

图15-1 缺氧训练的机制（瓦依埃1967）
三、高原训练的生理适应
高原训练(altitude training)是一种在低压缺氧条件下的强化训练。

这种训练对人体有两种负荷，一种是运动缺氧的负荷，这在平原也有；另一种是高原缺氧的负荷，这是平原所没有的。

这两种负荷相加，便造成比平原更为深刻的缺氧刺激，以调动身体的机能潜力。

㈠呼吸系统
平原运动员到高原后，最初反应是呼吸频率加快、肺通气量加大。

运动时肺通气量可较在平原做同样负荷时增加23%或更多。

最大摄氧量是反映耐力项目运动能力的生理指标。

有人研究报道，平原运动员到高原，虽然肺通气量增加，但随高度的增加最大摄氧量却下降，认为是血氧饱和度下降和心输出量减少所致。

有氧能力在海拔1500米以上高度才发生明显改变。

每升高1000米，最大摄氧量则以10%下降率直线下降。

因此，4000米高度的有氧能力相当于平原的70%左右，在6248米时，大约是50%。

有训练者和无训练者最大摄氧量下降率相似，高原训练对最大摄氧量变化的影响仍有争议。

有报导, 高原训练使最大摄氧量增加了5%。

分析以上不同结果的主要原因可能与受试者的训练水平及高原训练前的机能状态有关。

㈡血液成分
1．血红蛋白（Hb）和红细胞（RBC）运动员到高原后Hb和RBC增加。

血液载氧能力的提高是对高原最重要的适应。

这种适应来自于两个因素，初期是血浆量减少，随着时间延长则是由于造血器官机能加强，而使Hb和RBC的合成增多。

在高原的头几天，由于体液从血管内进入组织液和细胞内，血浆量减少使RBC浓度增加。

例如，在2300米高度停留一周后，血浆量下降约8%，而RBC浓度增加4%，Hb增加8%；在4300米停留一周后，血浆量下降16%~25%，RBC增加6%，Hb增加20%。

血浆量迅速下降伴随着Hb浓度增加，使动脉血氧含量明显高于刚到高原时所测得值。

高原氧分压下降也刺激红细胞总数增加，称为红细胞增多症（polycythemia）。

这是由于高原缺氧引起促红细胞生成素（EPO）的释放，促进红细胞的生成。

在高原期间红细胞仍然保持上升。

例如，一些世居高原的人，RBC为800万/mm3，比一般人多50%。

一定数量RBC和Hb增多，能增加血液运输氧气的能力，对提高血氧含量和血氧容量有代偿意义。

例如，秘鲁的高原居民血液运载氧能力比平原者平均高28%。

每100ml血液中氧容量为25~30 ml，而平原居民为19.7ml。

因而即使高原血红蛋白饱和度下降，动脉血中氧含量还能接近或等于平原时水平。

但是，若红细胞过分增多会增加血液的粘滞性，有可能抑制血液流动和氧扩散至组织。

研究还表明，在高原服习过程中女性血液学变化明显比男性少。

但女性若在高原前后进行了铁补充,结果发现，补充铁的女性与没有补充铁的女性相比，RBC增加更多，几乎达到与男性相同的水平。

2．促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）有人认为高原训练前后EPO水平有显著差异，高原缺氧有促使体内EPO增长的作用。

当人处于3000米高度3小时后，EPO浓度升高约50%。

但也有人认为无明显差异。

认为在高原EPO的正常反应是初期增高，但一周后下降。

而RBC、Hb和RC （网织红细胞）数量却增加。

因此认为高水平EPO的维持，并不是在高原期间RBC和Hb持续增加所必需的。

研究发现，高原训练运动员似乎比单纯久居高原安静组更能促进红细胞的生成，前者网织红细胞数明显增多，表明缺氧和运动两种刺激是分别起作用的。

EPO的释放也受海拔高度和血清睾酮的影响。

有人提出，由EPO促使RCV（红细胞数量）的增加可能存在“阈”高度，这个适宜的阈为海拔1600~2500米。

高原训练的高度偏低时，则对EPO无明显的效应。

EPO的分泌和RBC的生成还与血清睾酮的水平有关。

高原训练期间血清睾酮水平的变化趋势与血清EPO变化趋势基本保持一致；睾酮/皮质醇比值的上升，并与网织红细胞数的升高是同步的。

3．血液流变学指标对久居高原人群的研究发现，随海拔高度的不断增高，血液流变学多具有“浓”（红细胞压积增高）、“粘”（全血粘度增高）、“聚”（红细胞电泳时间延长）的典型特点。

高原训练的高原缺氧和运动训练的双重刺激对血液流变特征产生复杂和深刻的影响。

经过长期训练的运动员，安静时RBC渗透脆性、血液粘度、红细胞电泳时间、血沉比一般人有明显下降；红细胞滤过率和红细胞变形能力比一般人明显增加。

由于长期训练使RBC变形能力增加，血细胞压积减少，运动员安静状态血粘度较一般人明显下降。

红细胞压积（Hct）最适值是50%左右。

当Hct升到50%~60%时，血液粘滞性增加，当超过这一水平时血液粘滞性则呈指数增加。

Hct加大是对高原环境的适应，若过分增多反而对机体不利。

适宜的高原训练控制血细胞压积在最适值范围内，使红细胞有效摄氧达到较佳状态，并对血液粘度也有利。

因此，高原训练期间机体血液流变特征可能会得到改善；显著增加的红细胞数及较佳的血液流变性提高了机体对低氧环境的耐受力。

4．红细胞变形能力红细胞的变形性（能力）在很大程度上影响着血液对组织的供氧能力及和其它物质的运输能力。

研究发现，高原训练1周后红细胞内的2,3-二磷酸甘油酸盐对CO
2
（2,3-DPG）开始提高，而血中2,3-DPG能通过改善RBC膜的机能状态使RBC变形性增强，有利于氧的释放；RBC数和Hb的增加，可缓冲高原上因过度换气而导致的血液酸碱平衡失调，维持内环境的相对稳定，对RBC变形性有利；另外，高原缺氧导致RBC比表面代偿性增加，这种形态上适应性变化也能提高RBC变形性。

总之，高原训练后红细胞数增加和变形能力增强；血浆粘度降低，使外周阻力减小，血流速度加快；改变了血液的流变特性，有利于血液对各器官及工作肌的灌注，改善微循环，提高血液运输氧气和营养物质的能力，加快对代谢产物的排除率。

同时，还有利于调节体温及激素的体液调节。

㈢心血管系统
在高原次极限和极限强度运动时，最初反应是心率和每分输出量比平原增加50%，而每搏输出量没有变化。

但数天或数周后，随着携带氧气的能力和对氧气的亲和力提高，最大心率和心输出量均有所下降。

心输出量下降主要原因是由于每搏输出量降低。

但心率的减慢也有一定的作用。

每搏输出量降低的原因是由于血红蛋白浓度升高后，静脉回流量减少；血浆量和总血容量的下降以及交感神经活动引起的全身血管阻力的增大。

高原最大心率的降低，可能受长期高原应激引起的副交感神经调节增强的影响。

但也有报导,优秀游泳运动员在高原训练期每搏输出量及每分输出量均有所增加，左室壁增厚，心脏容积增加，泵血效率提高等，显示心脏在结构和功能上有所改善。

在高原较长时间的服习中，会出现肺的适应。

肺弥散能力增强，肺血压升高，肺血管分布和肺容量提高，同时右心肌肥大。

初到高原的人血氧饱和度下降显著，引起低氧性肺血管强烈收缩而导致较高的肺动脉压。

㈣骨骼肌
高原训练对骨骼肌有较深刻的影响。

1．骨骼肌的毛细血管和酶活性对在2300米高度训练的运动员进行测定，发现骨骼肌毛细血管密度增高，糖酵解酶活性降低，氧化酶活性升高，耐力提高，运动后血乳酸（BLA）浓度下降。

在高原作上肢肌肉负荷较大的越野滑雪。

观察到肱三头肌毛细血管增生，而运动量较小的腓肠肌却无改变。

认为高原训练引起毛细血管分布的适应性变化，主要是肌肉使用程度，并非是低氧环境。

2．肌红蛋白浓度肌红蛋白是肌细胞内含铁的蛋白质，比血红蛋白有更大的亲和力，其主要功能是贮存和运输氧气。

高原适应和训练的综合因素能引起人体骨骼肌中的肌红蛋白的浓度少量增加，这种增加反应在相当程度上取决于高原训练时强度，即训练强度很高、严重缺氧时才有所激发。

3．体重和体成分长期经受高原应激，瘦体重和脂肪明显下降，下降的大小与海拔高度密切相关。

研究表明，在4300米高原8天后，体重下降3%，而在5300~8000米停留3个月后，体重则下降15%。

在高原上体重的丢失，首先是脱水，其次是脂肪的丢失和骨骼肌质量的下降。

但也有人发现登山者体重的下降，其中的1/3是体脂，2/3是肌肉组织丢失。

还发现在骨骼肌质量下降同时
存在肌纤维变小的现象，这是对高原环境的有利适应，它可缩短氧气从毛细血管扩散到线粒体的距离。

此外，高原应激使能量摄入下降，小肠吸收率下降，基础代谢率也明显增加，因而体重下降。

4．骨骼肌α-肌动蛋白（α-actin）基因表达骨骼肌α-肌动蛋白是细胞骨架的主要成分之一，对维持细胞形态、生理功能发挥重要作用。

高原训练可增强骨骼肌α-肌动蛋白的基因表达，进而可在转录水平上促进α-肌动蛋白的合成。

但是高原训练中α-肌动蛋白基因表达与α-肌动蛋白的合成是一个非常复杂的过程，尚待进一步研究。

5．肌肉缓冲能力高原训练后，肌肉缓冲能力有所改善。

有人研究越野滑雪运动员高原训练后腓肠肌和肱三头肌的缓冲容量均增加6%，并且腓肠肌缓冲容量的相应变化与短跑成绩正相关（γ-0.83）。

认为低氧对于缓冲容量的提高可能是一个关键的因素。

而耐力训练不能增加肌肉缓冲容量。

㈤免疫系统的适应性
高原训练对长跑运动免疫功能会产生影响，发现经过4周海拔2700米高原训练后，长跑运动员血中细胞介素2水平下降，但经过4周海拔1300米高原训练后细胞免疫水平则提高。

提示高原训练的高度也是影响耐力运动员细胞免疫功能的因素之一。

（六）激素的分泌与血乳酸
激素调节与机体的机能状态密切相关。

高原训练对激素影响的研究报道不多且不系统。

1．儿茶酚胺儿茶酚胺是交感神经末梢或肾上腺髓质所释放的一种神经递质，具有调节机体在应激状态下更有效地适应急变的功能。

研究发现，在高原条件下力竭运动，肾上腺素、去甲肾上腺素与平原相比无显著性差异，而有人认为，低氧力竭运动会使肾上腺素和去甲肾上腺素显著升高；与儿茶酚胺分泌有关的促肾上腺皮质激素（ACTH）也显著增加，认为这种改变有助于提高肾上腺髓质对（ATCH）的敏感性。

Mcardle（1996）报导，在4300米高原7天，与平原相比肾上腺素尿的排出量没显著差异，而去甲肾上腺素在第4天明显升高，即使返回平原7天内仍保持升高。

缺氧结合运动训练，可使运动员尿内儿茶酚胺排出量明显增高。

在较高海拔高度进行同等负荷运动后，运动员尿去甲肾上腺素的排出量明显增加，肾上腺素的排出量明显减少。

认为对运动员尿中去甲肾上腺素排出量的测定，可了解运动员对高原训练的适应情况。

2．血清睾酮和皮质醇在人体内，血清睾酮（T）是促进蛋白质合成、有利于运动能力提高的激素，而血清皮质醇（C）是减少蛋白质合成、降低运动能力的激素。

高原训练对血清睾酮和皮质醇的影响报导不一。

许多研究发现，高原训练会使运动员血清睾酮降低。

认为高原训练使血清睾酮明显下降的原因，可能是通过系统的高原训练，机体的消耗过大，同时长时间大运动强度训练使睾丸中产生的睾酮的量下降所致。

许多研究发现，高原训练后皮质醇大多呈上升变化。

但也有研究认为,运动员高原训练后皮质醇明显下降，据认为是由于实验的时间、强度及环境不同的差异。

3．血乳酸高原训练对最大无氧代谢能力（即ATP~CP的供能能力）影响不大，对速度耐力性项目的糖酵解无氧代谢能力却有重要影响。

研究表明，高原训练初期，由于高原缺氧使组织中线粒体氧化酶的活性下降，肌肉氧利用能
力降低。

因此，运动中有氧代谢不能满足机体的能量需要，较多地动用了无氧代谢，产生大量乳酸，同时由于大强度运动使乳酸消除的速率也减慢，因而乳酸浓度会升高。

随着对高原的适应，酸碱平衡的重新调整，碱贮备下降，而使血液缓冲酸的能力下降。

很多研究发现，机体在对高原服习的条件下，运动后血乳酸、肌乳酸存在下降的趋势，这是机体对缺氧环境的适应，也是机体代谢能力提高的反映。

Mcardle指出在4000米以上高原极限强度训练期间最大血乳酸浓度下降尤其明显，这种高原服习后大肌肉群训练时最大血乳酸浓度减少的现象称为“乳酸矛盾现象”（Paradox）。

因为高原低氧环境应该促进血乳酸的积累。

还有，长期在高海拔高原低氧期间训练时，血乳酸水平减少并没有提高适应后的最大摄氧量水平或提高氧运输到活动组织的能力。

换句话说，血乳酸水平减少并没有伴随有氧代谢能力的提高。

乳酸下降原因，一方面是由于高原训练时动员葡萄糖的儿茶酚胺含量减少；另一方面由于中枢神经系统发放冲动减少，降低了竭力全身运动的能力。

高原训练乳酸积累减少与高原适应后的缓冲能力下降无关。

总之，研究表明，在海拔2000米的高原训练，当运动强度与平原相同时，缺氧的程度明显加大，血乳酸变化有以下特点：⑴以相同强度做大强度运动时，高原的血乳酸值明显高于平原；
⑵高原训练适应以后，以相同强度运动时，血乳酸浓度下降，血乳酸-速度曲线右移；⑶高原训练能明显提高阈强度；⑷在4000米以上高原训练时，由于强度偏低，血乳酸值显著下降。

四、高原训练的注意事项
㈠高原训练的适宜高度
高原训练的高度从理论上讲1000~3000米的高原训练都有效。

近年来，国际上已基本认同世居平原的运动员高原训练的最佳高度应为2000~2500米。

低于2000米，低氧缺氧刺激较少，不利于充分挖掘机体的潜力；高于2500米则机体难以承受较大的训练负荷，并且不利于训练后的恢复。

在2000~2500米高度训练，最大摄氧量、总红细胞容积（RCV）及Hb均有显著的增高，对提高运动员的速度、耐力及运动水平都有益处，不仅适用于田径运动员，而且对其它多种项目有益处。

我国运动员的高度多在1890米（昆明，中长跑、游泳、足球等）及2360米（西宁多巴，中长跑、竞走、自行车等）。

埃塞俄比亚的高原世居运动员将赛前高原训练提高到2700~3000米。

对世居高原的运动员高原训练的最佳高度要因长期居住的海拔而定，在这方面有待进一步研究。

总之，适宜的高度应具备两个条件，即此高度能对机体产生深刻的缺氧刺激；同时又能承受比较大的训练量和强度。

㈡高原训练的强度
这是决定高原训练成败的关键。

强度过低，刺激小，难以收到成效；强度过大，刺激深，对适应和恢复不利。

一般应遵循下面几个原则：⑴根据运动员训练水平的高低来定。

水平高的强度可大些；训练水平低的，强度则适当减少。

⑵根据比赛的强度而定，要安排部分接近比赛强度的训练。

⑶高原训练的强度和下高原后的强度衔接起来，下高原后的平原强度要比高原强度高。

⑷要根据机体对高原环境的适应阶段来安排训练强度。

㈢高原训练的持续时间
从平原到高原训练的时间最少要3周。

最近的研究表明，最适宜的持续时间应为4~6周，因为从平原到高原要有一个适应过程。

高原训练时间过短，不利于机体产生适应性变化；高原训练过长，则不利于机体回到平原后的适应性改变，同时还应考虑心理因素和经济因素，所以安排高原训练不一定要很长。

㈣高原训练后到平原比赛的最佳时间。