运动生理学

当您运动或者参加体育比赛时，您会注意到身体会有若干变化。您的呼吸会变得沉重而且速度加快，心跳加快，肌肉疼痛并且会出汗。无论您是定期锻炼或是偶尔运动，无论您是“周末武士”或是训练有素的运动员，这些都是对运动的正常反应。当您观看世界比赛时，您会发现他们也有相同的反应，只是这些反应被放大了而已。
身体有一套非常复杂的程序，可满足肌肉工作的需求。运动涉及身体的每个系统。在本文中，我们来看一下身体是如何对剧烈运动发生反应的——肌肉、血液循环、呼吸和体温是如何受到影响的。您还将了解到如何让这些反应通过训练得到提高。

任何运动都会用到肌肉。不通的运动会用到不同的肌肉群。跑步和游泳时，您的肌肉使身体加速并且维持其移动。举重时，您的肌肉使身体举起一个重物。运动就是肌肉的活动！
当您使用肌肉时，肌肉就开始对身体的其他系统产生需求。剧烈运动时，几乎身体的每个系统都集中力量或者停止工作辅助肌肉运动。比方说，剧烈运动时您的心跳加快，这是因为它可以将更多的血液泵入到肌肉中；而剧烈运动过程中胃会停止工作，这样它就不会浪费能量，从而肌肉可以利用这些能量。

您进行运动时，肌肉的作用就像电机。肌肉摄入一种能源，利用这种能源产生力。而电机利用电力作为能量。肌肉相当于生化电机，利用一种叫做三磷酸腺苷 (ATP) 的化学物质作为能量来源。在肌肉“燃烧” ATP的过程中，必须满足以下三个需求：

需要氧气，因为化学反应需要ATP，而产生ATP需要消耗氧气。
需要清除化学反应产生的废物（二氧化碳、乳酸）。
要排除热量。就像电机一样，工作的肌肉也将产生热量，需要将其排除。
为了继续运动，肌肉必须持续产生ATP。而要产生ATP，身体必须供应氧气给肌肉并且清除废物和热量。运动越剧烈，肌肉的需求就越高。如果不能满足这些需求，运动就会停止——具体情况就是，您变得非常疲惫，无法继续进行运动。
为了满足肌肉的需求，身体会有一系列协调的反应，这涉及心脏、血管、神经系统肺、肝脏和皮肤。这确实是一个令人惊奇的系统！

下面我们将会讲解肌肉在身体运动时的各种需求，以及身体各系统如何满足这些需求。

对于您的肌肉 —— 事实上，对于您体内的每个细胞 —— 使一切运转的能量来源都是ATP。三磷酸腺苷 (ATP) 是存储和利用能量的一种生物化学方式。
将ATP转化为能量的整个反应有些复杂，简述如下：

在化学结构上，ATP是与三个磷酸结合的腺嘌呤核苷。
第二个和第三个磷酸基团之间的键中存储有很

多能量，可用来维持化学反应。
当细胞需要能量时，它会分解该键，形成一个二磷酸腺苷 (ADP) 和一个游离的磷酸盐分子。
在某些情况下，还可能分解第二个磷酸基团，形成一磷酸腺苷 (AMP)。
当细胞的能量富余时，会通过将ADP和磷酸盐转换成ATP来存储多余的能量。
任何肌肉收缩所涉及的生化反应都需要ATP。随着肌肉工作量的加大，需要消耗更多的ATP，而要使肌肉维持运动，消耗的ATP必须得到补充。
由于ATP如此重要，身体中有几个不同的系统都可以产生ATP。这些系统相互协调地工作。有趣的是，不同形式的运动利用不同的系统，因此短跑选手与马拉松赛跑者会通过完全不同的方式获取ATP。

ATP来自肌肉中三个不同的生化系统，次序如下：

磷酸肌酸系统
糖原-乳酸系统
有氧呼吸
现在，让我们详细了解其中的每个生化系统。

每个肌肉细胞周围都有一些浮游的ATP，细胞可以即刻利用，但是其数量不是很多——仅够维持大约三秒钟。每个肌肉细胞都要迅速补足ATP ，肌肉细胞含有一种叫做磷酸肌酸的高能磷酸化合物。有一种叫做肌酸激酶的酶会从磷酸肌酸上移走磷酸基团，并将其转移给ADP，形成ATP。细胞将ATP转化为ADP，磷酸肌酸则迅速将ADP再转化为ATP。随着肌肉继续工作，磷酸肌酸水平开始降低。ATP和磷酸肌酸水平一起被称为磷酸原系统。磷酸肌酸系统可以快速为工作肌肉供应能量，但是仅能维持8-10秒钟。

HSW
磷酸原系统与运动



肌肉还含有一类高储量的复合碳水化合物，叫做糖原。糖原是一个葡萄糖分子链。细胞可将糖原分解为葡萄糖。然后细胞利用厌氧代谢（厌氧的意思是“没有氧气”）产生ATP以及一种叫做乳酸的葡萄糖副产品。
该过程共经过12个化学反应才能生成ATP，因此该系统与磷酸肌酸系统相比，供应ATP的速度较慢。但该系统起作用仍较迅速，能产生足够维持大约90秒钟的 ATP。该系统不需要氧气，因此它是一个有利的系统，因为心和肺需要经过一段时间才能配合工作。之所以称之为有利的另一个原因是，快速收缩的肌肉会挤压血管，使自身失去了富氧血液。

由于乳酸的存在，进行厌氧呼吸存在一个无法避免的限制。乳酸是您肌肉疼痛的原因。乳酸在肌肉组织中堆积，会使您感觉到肌肉疲劳和酸痛。

运动持续两分钟时，人体会产生反应，为工作肌肉供应氧气。当有氧气存在时，通过有氧呼吸，葡萄糖可迅速分解为二氧化碳和水。葡萄糖可能来自三个不同的位置：

肌肉中的剩余糖原供应
肝脏糖元分解的葡萄糖，经血流到达工作肌肉。
在肠道中从食物中吸收的葡萄糖，经血流到达工作肌肉

。
有氧呼吸还可利用肌肉和身体脂肪存储库中的脂肪酸产生ATP。在极端情况下（比如饥饿），蛋白质还可分解为氨基酸并且产生 ATP。有氧呼吸会首先利用碳水化合物，然后如果有必要再利用脂肪，最后利用蛋白质。有氧呼吸比上述两个系统需要更多化学反应才能产生ATP。三个系统中，有氧呼吸产生ATP的速率最慢，但是它可以持续 数小时供给ATP甚至更长时间，只要有燃料供应就可以持续供给ATP。

想象一下您开始跑步。下面是所发生的事情：
肌肉细胞首先在大约3秒钟内耗尽细胞周围浮游的ATP。
然后磷酸肌酸系统参与进来，供能8-10秒钟。这是百米短跑选手或举重者所用的主要能量系统，这两种运动者需要迅速加速，运动所持续的时间很短。
如果运动持续更长时间，糖原-乳酸系统就参与进来。短距离运动比如200米或400米以及100米游泳就是如此。
最后，如果运动持续时间特别长，有氧呼吸就会取代上述系统进行供能。在 800米、马拉松、划船、越野滑雪和长距离轮滑等耐力运动中，会发生有氧呼吸。
当您仔细考虑人体是如何工作时，您会发现人体确实是一个了不起的机器！

如果您想要多运动几分钟，那么您的身体需要为肌肉提供氧气，否则肌肉将停止工作。肌肉需要多少氧气依赖于两个过程：将血液泵入肌肉，然后将血液中的氧气提取到肌肉组织中。工作肌肉可以从血液中摄取氧气量是静息肌肉的3倍。身体通过以下方式来增加工作肌肉的富氧血流量：
增加到工作肌肉的局部血流量
从非必要器官向工作肌肉的分流血液
增加心脏输出血流量（心输出量）
增加呼吸频率和深度
增加工作肌肉中血红蛋白释放氧气的能力
这些机制可以使到工作肌肉的血流量增加将近5倍。这意味着工作肌肉获得的氧气量可增加将近15倍！
让我们更加细致地研究一下到工作肌肉的血流量是如何增加的。

使管道更大
当您运动时，肌肉中的血管舒张，血流量加大，这就如同通过消防水带的水流量多于通过花园管的水流量一样。您的身体有一种特有的方式可使这些血管扩张。随着工作肌肉中的ATP被耗尽，肌肉可产生数种代谢副产品（比如腺苷、氢离子和二氧化碳）。这些副产品离开肌肉细胞，导致肌肉内部的毛细血管扩张（血管舒张）。增加的血流量可将更多的氧合血液输送到工作肌肉。


从器官中获取血液

当您开始运动时，会发生显著的血液转移。本应去往胃或肾的血流转为去往肌肉，这种转变显示了身体的程序有时可以互相超越。当您的肌肉开始工作时，自主神经系统（即脑干和脊髓）中的交感神经系统会刺激分布到心脏和

血管的神经。这种刺激导致血管（动脉和静脉）收缩或压缩（血管收缩）。如我们上面所讨论的一样，血管收缩将减少到组织的血流量。肌肉也获得了血管收缩的指令，但是肌肉内产生的代谢副产品超越该指令并且导致血管舒张。由于身体的其他部分获得了收缩血管的信息并且肌肉内的血管舒张，因而非必要器官（比如，胃、肠和肾）的血流转为去往工作肌肉。这有助于进一步增加到工作肌肉的氧合血流。

心脏跳动更快
心脏也是一种肌肉，当身体运动时其工作强度会加大，从而将更多的血液泵入到肌肉中。与静息状态相比，运动时心脏的血流量会增加大约4-5倍。心脏的血液泵出量（心输出量）是心脏搏动率（心率）和每次搏动心脏射血量（每搏输出量）的乘积。静息时，心输出量大约为每分钟5升（0.07升×70次搏动/分钟=4.9 升/分钟）。运动时，交感神经会刺激心脏更有力、更快地搏动，心率可增加大约三倍。并且，交感神经对静脉的刺激导致静脉收缩。静脉收缩与从工作肌肉中回流的血流合在一起，增加了回流到心脏的血流量（静脉回流）。增加的静脉回流有助于将每搏输出量增加大约30%-40%。当心脏全力泵血时，心输出量大约为每分钟20-25升。

呼吸更快更深

到目前为止，我们讨论了如何将更多的血液泵入到工作肌肉中的问题。您的肺和呼吸系统的其他部分也需要为血液提供更多的氧气。由于下列事件，您呼吸的频率和深度会增加。

交感神经刺激呼吸肌，从而增加呼吸频率。
血液中肌肉的代谢副产品（乳酸、氢离子和二氧化碳）刺激脑干中的呼吸中枢，这进一步刺激了呼吸肌。
由于心脏跳动力以及心输出量的增加导致血压轻度升高，使血液流入肺中的气囊（肺泡）增加。从而增加通气量并且允许更多的氧气进入血液。
随着肺吸收更多的氧气并且到肌肉的血流量增加，肌肉就有了更多的氧气供应。

虽然身体增加了流向肌肉的富氧血，但是肌肉仍然需要从血液中获取氧气。这时氧气和二氧化碳的交换是关键。红细胞中有一种叫做血红蛋白的蛋白质，可以携带血液中的大部分氧气。血红蛋白可以结合氧气、二氧化碳，与血红蛋白结合的氧气量由氧气浓度、二氧化碳浓度和pH决定。血红蛋白的工作过程如下：
进入肺的红细胞中的血红蛋白结合了二氧化碳。
在肺中，由于呼吸作用，氧气浓度高，二氧化碳浓度低。
血红蛋白结合氧气并且释放二氧化碳。
血红蛋白经心脏和血管然后到达肌肉。
在肌肉中，由于新陈代谢作用，二氧化碳浓度高，而氧气浓度低。
血红蛋白释放氧气并且结合二氧化碳。
血红蛋白回到

肺中，重复上述循环。
当您运动时，代谢活性较高，从而会产生更多的酸（氢离子和乳酸）和使局部 pH低于正常标准。低pH降低了氧气和血红蛋白之间的吸引力，使血红蛋白比平常释放出更多的氧气。这增加了到达肌肉的氧气。
清除废物
运动的身体消耗能量并且产生废物，身体产生的废物包括：乳酸、二氧化碳、腺苷和氢离子等。肌肉需要将这些废物清除。所有流入到肌肉并且携带更多氧气的额外血液也可以带走废物。比如，血液中的血红蛋白可带走二氧化碳。

运动时，您的身体会热起来，这一点会在皮肤上表现出来。您的皮肤摸上去较热，看起来发红，并且会出汗。虽然这些现象可让您知道您的身体释放多少热量，但事实上这是身体冷却自身的方式。
工作肌肉以两种方式产生热量：

肌肉收缩时所用的化学能没有有效地转化为机械能。没有转化的部分会作为热量损失。
各种代谢反应（厌氧和需氧）也可以产生热量。
身体需要清除多余的热量。运动肌肉产生的热量导致皮肤中的血管扩张，血管扩张可增加到皮肤的血流供应。皮肤中血流量的增加和皮肤的表面可将多余的热量散发到周围空气中。
并且，热量过多的信息会反馈到身体的温度调节机构，即脑中的“下丘脑”。来自下丘脑的神经冲动刺激皮肤中的汗腺产生汗液。出汗的液体也来自增加的皮肤血流。汗液从皮肤表面蒸发，带走了热量，使身体冷却。汗液的蒸发带走了身体的水分，因此需要通过饮水或运动饮料来补充水分，以维持正常的血液流动和产生汗液。运动饮料还能补充在汗液中丢失的离子（钠、钾），并且提供额外的葡萄糖，从而为厌氧呼吸和有氧呼吸提供燃料。

汗液蒸发是身体重要的冷却系统，这可以有效地清除热量。但是，如果在湿热环境中进行运动，汗液就无法蒸发。这就降低了该系统的有效性，从而使运动者易于发生中暑。中暑是一种很危险的情况。其症状如下：
体温升高到40℃以上
停止出汗
心率加快
呼吸加快
意识错乱、眩晕、恶心、头痛
中暑可使人虚脱，丧失意识甚至死亡。紧急医学救助包含下列两步：降低体温（脱下患者衣服，将凉爽的喷雾喷洒在患者身上，敷冰袋，将患者浸入到冰水中），并且如果可能的话，补充体液。
您可以通过穿短袖等宽松的衣服、喝足量的水或运动饮料并且在天气凉爽（低于28 ℃）时运动来避免中暑。

您的身体可以从运动中获益良多，并且经过训练，身体运动起来可以更加容易。运动员们花费大量时间进行训练。训练可使身体的基础反应适应运动，并且还能提高运动成绩。训练可以使

：
您的肌肉表现更好
使您的进食与身体所消耗能量匹配
改善向工作肌肉的输送氧气的效率
让您适应竞争环境

如果您定期运动，或者您是运动员，那么您正在努力改善您的肌肉工作状况。如果您是一位举重运动员，您希望更强壮；如果您是一位棒球投手，您希望掷出更快的球；如果您是一位马拉松运动员，您希望在42公里赛跑的终点处仍然奔跑有力。影响肌肉表现的因素如下：
力量
功率
耐力
肌肉的力量是肌肉可以展示的最大力。力量与肌肉的大小（即横截面积）直接相关。肌肉纤维能够产生3-4公斤/平方厘米（平均=3.5公斤/平方厘米）的最大力。因此，假设您的肌肉尺寸从100增加到150平方厘米，那么您可以举起的重量将从350公斤增加到525公斤。
肌肉收缩的“功率”是肌肉能够以多快的速率产生其最大的力。肌肉功率依赖于力量和速度 [ 功率 = （力量 × 距离） / 时间 ]。一个人在短时间内（大约10秒钟）可以产生极大的功率（7000公斤-米/分钟），然后在30分钟内功率会减少 75%。功率大小对于短跑选手很重要，因为这可以给他们很大的加速度。肌肉的耐力是肌肉重复产生或者维持最大力的能力。

但是即便每天艰苦训练，您可能仍然无法使您的肌肉与其他人一样强壮。运动员不仅仅是后天培养出来的，他们还要有天分。力量、功率和耐力的大小在一定程度上取决于个体肌肉内部的纤维类型分布。肌肉是两种基本型纤维的混合物，即“快收缩”和“慢收缩”纤维。快收缩肌纤维能够产生更大的力，收缩更快，并且具有更强的无氧代谢能力。相反，慢收缩纤维产生力的速度较慢，可以维持较长时间的收缩且具有较强的有氧代谢能力。您的基因大体决定了您主要具有哪种类型的肌纤维。短跑选手一般具有更多的快收缩肌纤维。马拉松选手一般具有更多的慢收缩肌纤维。一般人的这两种纤维具有等量分布。目前还不清楚训练是否能够改变个体体内的纤维类型分布。
改善肌肉力量、功率和耐力的训练叫做“阻力训练”（比如，自由举重、跳跃训练和等长训练）。阻力训练的主要目的是增加肌肉纤维的大小（形状扩大）。现在还不清楚训练是否能够增加肌肉纤维的数目（数量增加）。肌肉纤维通过获得更多的肌肉蛋白成分而变得强大，更多蛋白的获得是通过制造新蛋白和降低现有蛋白质的降解速率而达到。这些蛋白包括收缩蛋白和参与各种代谢反应的酶。阻力训练在增加肌肉力量的同时，还可以增加肌肉功率。力量和饮食的增加以及心血管功能的改善，可以增强肌肉耐力。

合理的饮食可以帮助您的身体有更好的运动表现。

现在您已经知道了肌肉代谢涉及磷酸原系统、糖原 - 乳酸系统和有氧呼吸。所用的主要燃料为葡萄糖和糖原。因此，如果您希望身体表现的更好，不管是为了竞赛还是仅为了健康而进行运动，您都应当努力增加肝脏和肌肉中的糖原存储。运动员应在竞赛前夜进食固体的、高碳水化合物膳食（面包，糊剂），在竞赛开始前的早上进食液态的高糖膳食。竞赛过程中含有葡萄糖的运动饮料是一个不错的选择，有助于补充液体并且维持血糖水平。

要成为世界级的运动员或者想要从运动中获益更多，您会希望肌肉最有效地获得所需的氧气。为此您需要增加：
心输出量
呼吸
肌肉携带的氧气量
要做到这一点您可以通过阻力训练，也可以结合交叉训练，即一次进行一种以上的运动或者同时进行多项能力的训练（力量、耐力和灵活性）。
训练对心输出量的主要作用似乎是增加每搏输出量（即，具有更大的心脏）和降低静息时的心率。增加的每搏输出量容许心脏每次搏动都泵出更多的血液。由于最大心率有一个限度（180-190次/分钟），因此较慢的静息心率（经训练的运动员50-60次/分钟，一般人70-80次/分钟）能使心率在运动中具有更大幅度地增加。在运动中，心率增加得越多，意味着心输出量就增加得越多，流入工作肌肉的血流量就越大。

通过训练可降低静息时呼吸频率、增加运动时呼吸频率并且增加每次呼吸时的空气交换量（肺活量），从而改善呼吸系统。这些变化容许肺在运动过程中摄入更多空气。训练还可以增加工作肌肉从血液中摄取的氧气量，这意味着代谢酶的增加。

您可能听说过赛跑者或骑脚踏车者在山里训练。这种训练确实可以增加血液携氧量，强迫身体在血液中制造更多的血红蛋白。由于高海拔，氧气含量较少，这时身体可以产生一种叫做“促红细胞生成素” (EPO) 的激素，该激素可导致骨髓产生更多的红细胞和血红蛋白。一些运动员想通过直接注射EPO到血液中，但这是一种危险的行为。国际奥委会禁止使用EPO，因为EPO可增加血液的粘稠度，引起循环系统疾病，如心脏病或者猝死。

如果您是运动员，将在高海拔地区比赛，如1968年奥运会在墨西哥城，那么在高海拔地区训练比较有益。如果比赛时天气较炎热，那么在炎热天气中进行渐进式训练将有助于身体增加其清除热量的效率（在大部分暴露的身体区域增加汗液产生）。
身体对运动的反应是身体各个系统（肌肉、心脏、血管、肺、神经系统和皮肤）相互协调响应的结果，它们可以满足工作肌肉的需求。同时，这些系统也可以通过训练得以改善，从而改善运动成绩

。