近年來體育科學研究前沿問題回顧與展望

陳凱華 馬江駿 盛治進

（1 安徽醫科大學體育教學部，安徽 合肥 230032）

（2 新疆師范大學，新疆 烏魯木齊 830054）

1 前言

體育科學是用科學的方法來探求體育的本質和規律，是研究社會各種體育現象、最大限度發揮人體運動能力相通過身體練習進行教育并提高健康水平等規律的綜合性科學。20世紀初首先在德國、日本開始了體育科學研究。第二次世界大戰后，體育科學研究真正在世界范圍開展起來。

中國有組織地開展體育科學研究工作，是中華人民共和國成立后才開始的。經過幾十年的發展，我國體育科學研究水平有了長足的進步，成為促進體育事業發展的重要力量。田野等[1]在《中國體育發展現狀與展望》中對我國體育科學的發展現狀進行了評述，認為中國體育科學表現出科學研究取得高水平成果、研究手段多樣化、初步形成了中國特色的體育科學研究體系、開始步入國際體育科學舞臺等4個方面的特點。同時田野等也在文中指出中國體育科學研究存在著創新性研究成果（假說）不多、研究方法中存在的缺陷、體育科學研究發展不平衡、在國際體育科學研究領域地位不高等問題。

與中國體育發展現狀與展望相對應的就是世界體育科學領域當前研究的熱點問題和今后的主要研究方向。筆者通過對世界體育科學領域最具影響力（影響因子最高）、覆蓋面最廣的幾本期刊三年內的研究進行分析，初步梳理了當今世界體育科學領域的高端創新研究成果，并結合我國當前研究現狀分析了我國體育科學領域研究的重點問題和意義。

2 當前世界高端創新研究

在對Kenneth[2]對過去10年里對發表的與訓練有關的文章進行了研究，他以“exercise”為關鍵詞在當前世界著名的文摘數據庫PubMed內進行檢索，能夠檢索到大約82，826篇peer-reviewed[3]文章。將這些文章做一些基本的分類如表1所示，雖然與訓練相關的研究依然占有者決定性的優勢，但是醫學領域針對遺傳、基因等方面進行的基礎性研究成果在訓練領域的應用有著不容忽視的作用，因為這些成果主要集中于對人類基因的改造，所以它們的應用會使運動員的能力從根本上得到改造，是任何先進的訓練理論和訓練方法無法比擬的。

表1 10年內發表的與訓練有關的文章分類統計

2.1 基因和訓練

眾所周知，2003年人類基因圖譜完成，這一里程碑似的成果幫助人們打開了一扇研究基因對訓練刺激的反應和適應的大門。有研究證明具有多態現象的基因超過200個，心血管的反應、肌肉力量和能力適應與那些確定的基因型有關[4]。基因功能的研究將進一步提高人類對訓練適應中潛在的生物學機制的認識和了解[5]。這項成果至少可以在訓練的兩個方面得到應用，首先是在選材上的應用，這種方法相對比較簡單，在選材過程中對青少年就相關基因進行檢測，含有所需能力的基因的青少年進入運動隊開始系統訓練，這必能大大提高選材的效率。其次是基因調節，目前主要有四種手段：基因重組、RNA干擾、基因表現功能調節和miRNA基因調控。

（1）基因重組是選擇一個無效基因，將其去除并用一種能夠提高靈敏性或耐力的基因進行替代，進而增強運動員的靈敏性或耐力能力。這一設想近兩年已經在老鼠實驗中獲得成功[6]。

（2）RNA 干擾(RNA interference，RNAi)是由雙鏈 RNA（double-stranded RNA,dsRNA）介導的細胞內雙鏈mRNA特異性降解現象，屬于轉錄后的基因沉默機制。也就是借助某種手段向細胞內注入一種雙鏈RNA，它會使細胞內決定人體不良品質的mRNA的顯示度降低，讓其他有利于人體的耐力素質或爆發力顯現出來[7]。目前RNAi是生物界普遍存在的抵抗病毒入侵、調控基因表達的監控機制，已成功用于基因功能和信號轉導的研究[8]。這種方法是目前對基因進行改造所采用的相對簡單的方法，可以想象將來在運動訓練領域必會有廣闊的發展前景。

（3）基因表現功能調節是表現遺傳學的主要研究內容，基于的基本理論：在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調控基因的信息，它們雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過基因修飾，蛋白質與蛋白質、DNA和其它分子的相互作用，而影響和調節遺傳的基因的功能和特性，并且通過細胞分裂和增殖周期影響遺傳[9]。目前已經有多種方法可以實現對基因的修正，例如 DNA甲基化[10]（DNA methylation）、 乙酰化（acetylation）[11]，磷酸化（phosphorylation）[12]，基因沉默（gene silencing），核仁顯性，休眠轉座子激活和RNA編輯（RNA editing）等。這種技術對訓練的應用已經進入到小白鼠測試階段[13]。

（4）miRNA 基因調控[14]，MicroRNAs （miRNAs）是一種大小約21—23個堿基的單鏈小分子RNA，由具有發夾結構的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工后生成。它在細胞內可以誘發相關蛋白質翻譯抑制[15]，進而抑制蛋白質的合成，表現在運動功能上就是降低運動員在高負荷訓練情況下的發病率。

這些基因層面的基礎性研究成果在訓練領域的應用，開啟了人類自我能力選擇的新空間，為人類提升自身的某種能力提供了方法。可以大膽猜測這些手段在國際科技發達國家已經應用到運動員身上，有學者將其定義為基因興奮劑。基因興奮劑的檢測非常困難，因為這些改造基因的手段都是基于人體蛋白質。胡揚[16]對當前訓練領域存在的幾種能夠提高運動員成績的基因進行了概述。

2.2 骨骼肌是一個內分泌系統

將骨骼肌作為一個內分泌系統的提法是最近幾年才出現的，學者發現在骨骼肌內存在一些物質（被定義為[17]myokine），對身體運動能夠產生明顯地應激反應，向血液中釋放出一些調節其他組織活動功能的物質。目前已經被證實有這種功能的物質有三種：Inerleukin （IL）-6，IL-8，IL-15。例如在抗阻訓練中骨骼肌會釋放出IL-15調節骨骼肌內的合成代謝過程[18]。這些成果對今后人們對骨骼肌調節內分泌系統的功能的認識產生重大影響。

2.3 結締組織和骨骼動力學

近幾年關于肌腱和骨骼肌的結締組織研究出現前所未有的繁榮現象，Mackey等人[19]在這方面所做的努力和研究成果不容忽視。有研究已經證明結締組織內的合成代謝、血液流動和膠原質的轉換都非常迅速[20]，結締組織基部對訓練刺激的反應與肌纖維復合的速度相同，調節因素的上調與訓練非常有關系。采用透析、同位素、超聲波和原子力等手段已經能夠檢測到結締組織對不同運動行為的適應過程。關于骨骼的運動行為和代謝反應研究發現，不同骨骼對訓練刺激的反應不同，相同骨骼的不同區域也有所不同[21]。

2.4 肌肉的祖細胞

骨骼肌的肌纖維非常獨特，因為他們是多核細胞，而且在肌細胞膜和基底膜之間有一層祖細胞。祖細胞具有自我更新的能力，在負荷刺激下會促使肌纖維增大，是肌細胞核增殖的先決條件。Petrella等人[22]的研究發現最大力量訓練刺激下每個肌細胞的細胞核增加的數量最多，中等力量次之。這充分證明了肌細胞核的激增和分化是引起肌纖維增大的先決條件。另外運動損傷康復的過程也依賴于祖細胞的增殖[23]。

3 未來體育科學研究的關鍵問題

Kenneth2在2010年發表的一篇文獻綜述中指出今后世界體育科學領域研究的關鍵問題。

（1）訓練模擬：Narker等[24]發表的一篇有爭議的文章激起了廣大藥品代理商的強烈的興趣，就通過某種方法提高跑步的能力和/或肌肉生長。關鍵的問題在于運動訓練的刺激是否是提高身體健康和代謝水平的必須條件。參考Booth和Laye[25]有關這篇備受爭議話題的評論，以及Hawley和Holloszy[26]的文章，后者認為訓練模擬更加有前景。

（2）多肽核苷：目前開展了很多關于單核苷酸多態性和不變色基因組探針的研究，以解開對健康，競技水平和可訓練性有作用的基因密碼。Jackson實驗室和Affymetix的合作所產生的人類和老鼠的基因組序列使得該突破性探索成為可能。

（3）活性氧基團：焦點在于理解這些基團的潛在生物特性，包括其對不同負荷狀態下影響肌肉質量的調節機制，和作為細胞器，器官以及生物適應的信使分子。

（4）基因組學：以基因組學為基礎的肌肉功能的研究已經擴展到能在運動員競技水平，一般健康和運動對不同疾病的影響上進行探索的可能。

（5）肌肉內 外 關 系 ：myokines， cytokines 和adipokines的作用被認為對器官系統和機體內分泌系統有影響，新的思路應該在于肌肉協同機制的研究。

（6）在對運動員，久坐不運動者和肥胖者的急性和慢性運動中，底物燃料的處理過程。

（7）當有氧和合成代謝的訓練同時施加在動作和人提上，需要進一步通過實驗來明確細胞發信號的規則機制。

（8）肌纖維，結締組織，骨骼和祖細胞的整合：這每一個系統都是動態的，在對各種機械刺激進行反應的過程中理解其交互作用具有挑戰性。

（9）機械傳感器和控制肌肉體積大小的信息傳導規則：該領域有大量的未知區域。

（10）探索能預測運動和改變健康狀況的生物學指標：廣為接受的一個觀點是人體對不同類型的訓練刺激產生如何反應具有很大的變異性，那么是否可能預測出反應物以及對應的非反應物？

（11）極端環境：有許多挑戰是針對人體機能的潛力的，個體如何在極端的環境中如熱、冷、低氧、營養不良等表現出能力。

（12）運動肌肉和大腦重塑的關系：這是提高老年人生活質量的關鍵。

（13）運動與疾病預防：在隨后的十年以及更長遠的時間內，這有可能成為影響健康產業最大難題。

（14）衰老的機制和運動所引起的長壽：運動研究努力的真正底線。

4 研究重點及意義

在對當前世界高端創新研究進行綜述和相關領域著名學者提出的體育科學領域的熱點問題進行總結的基礎上，筆者結合目前國內研究技術和水平，提出了中國體育科學領域當前的研究重點，及其對我國競技體育發展的重要意義。

4.1 基因修正

從2.1節關于當前基因研究與訓練的關系論述中可以看出，基因改造會使人類的各項能力得到大幅度提升。限于研究條件或研究水平，近期我國體育科學領域可能還無法開展基因改造的研究，但我們可以從下面兩個方面做出一點努力。

首先，關鍵基因識別的研究。設計相關檢測方法和檢測儀器，對與某種運動能力密切相關的基因進行檢測。將其應用到選材中可以大大提升我國運動員的成材率。

其次，密切關注國外研究進展和研究成果，做到盡早為我所用。

4.2 減阻

阻力在水上、游泳、自行車等項目中起著不容忽視的作用，正是由于鯊魚皮泳衣減阻效果非常好，才能使游泳運動員的成績有了較大提高。在備戰29屆北京奧運會周期，清華大學精儀系摩擦學國家重點實驗室陳大融教授進行了船艇減阻的研究，利用魚鱗和荷葉表面形貌結果，設計出一種新的減阻涂層。

該實驗室在前人研究的基礎上提出了新的“界面減阻理論”，即通過表面與界面效應，大幅度降低流固界面剪切應力的理論，形成了新的界面減阻技術，其中“微突體”減阻技術實施工藝簡單，適用于水面船艇。通過對魚鱗和荷葉表面仿生學的研究，發現魚鱗減阻機理在于魚鱗粘液、暴露于水中的頂區結構，以及魚鱗表面的納米級結構與微米級孔洞。荷葉表面由雙重結構組成，其中納米級結構提供了微汽泡存在的條件，同時在表面覆蓋了生物臘，并由此構成了超疏水特性的前進接觸角與后退接觸角，其結構類似于超疏水的Cassie結構。將荷葉的超疏水結構與魚鱗的微凸體結構相結合，由微凸體導致的微漩渦提供動力學條件，則微氣泡就有可能在低壓與漩渦力的作用下膨脹，并直接參與剪切過程，從而獲得減阻效果。根據該理論設計出相關涂層，噴涂到賽艇上，經水洞和拖拽水池測試發現在5m/s的低航速條件下，獲得了約4%的綜合減阻率（摩擦阻力減阻率14%），折合航速提高約為2%。

新的備戰周期，我們可以進一步加強該方向的研究，例如對自行車運動員服裝的減阻、自行車的減阻。

4.3 運動仿真

正如田野等人提到的體育系統仿真是通過計算機模擬技術再現教練員的訓練意圖、運動員的技術動作、管理者的組織方案等，從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、評價和控制的一種嶄新的實驗技術學科。由于體育系統仿真和現代科學技術息息相關，現代計算機技術、現代圖形學和自動控制等學科是體育系統仿真的支撐學科，這些學科大都處在現代高科技的前沿，特別是它與眾多現代科學綜合交叉的特性和廣泛的應用前景決定了它具有良好的發展勢頭。體育仿真技術與體操、跳水、蹦床等高難技術的創新、大型賽事開、閉幕式的演練等密切相關。

更進一步地，可以應用計算機仿真技術對肌肉和骨骼的作用關系，在運動康復和機器人領域有關肌肉和骨骼的運動仿真成果有很多，但這些仿真都是基于常人或病人的運動或康復過程，基于運動員特定動作下，肌肉和骨骼的作用關系研究還非常少。可以預見該研究成果對于預防運動損傷、設計訓練（加強重點部位的訓練）有重要意義。

4.4 訓練適應理論

訓練與適應之間的關系一直是體育科學領域研究的熱點和難點，無論教練員、運動員還是研究人員都希望能夠準確掌握訓練和適應的關系。無疑采用數學模型的方法對訓練和適應的關系進行描述，不僅能夠量化二者的關系，更主要的是它能通過調整訓練負荷使受訓者在將來的某一天準確的出現最佳成績點。目前訓練和適應關系模型主要有三種：

1）加拿大學者Banister[27]和Calvert在超量恢復模型的基礎上，首次用數學的方法提出了一個新的“疲勞-適應”模型。模型由三個部分組成，一個簡單的刺激產生提高成績的兩個適應和降低成績的疲勞。公式的一般表述形式如下：

模型成績=（訓練模型的適應）-K（訓練模型）K是常數，調節適應和疲勞之間的關系。

2）Calvert[28]在Banister的基礎上提出了另外一種公式：

*表示轉換，t表示訓練刺激，τ1和 τ2表示與兩種適應有關的時間常數，τ3是與疲勞有關的時間常數。

3）Fitz-Clarke等[29]將 Calvert的公式進一步改良：

這些模型試圖描述在給定的某一天訓練的單個或多個因素對一個準確的訓練任務形成的適應的影響。這些模型假設訓練單元增加了適應并刺激了一個疲勞反應。另有一些研究針對的是量化訓練刺激（訓練刺激、絕對功、神經生理興奮比率）的方法和身體性能（標準等級、任意單元）對模型的影響。

目前研究這些模型所使用的基本都是普通人，關于競技運動員的非常少，只有一個研究使用的是游泳運動員。

4.5 虛擬技術在訓練中的應用

虛擬現實是利用計算機模擬產生的三維空間的虛擬世界，向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等各感官的逼真模擬，令使用者仿佛置身于與現實完全不同的時間和空間中，并與這個模擬的現實發生交互作用。當使用者的位置發生變化時，計算機還可立即進行復雜的運算并傳回精確的影像，令使用者產生身臨其境的感覺。

這種技術可以模擬運動員不同級別比賽場景，訓練運動員比賽應對能力，還可以有針對性地設計比賽中可能出現的某些情景，訓練運動員對突發事件的處理能力。

4.6 機械傳感技術

機械傳感技術一直是進行體育科學研究不可或缺的工具，許多研究成果的重大發現都得益于傳感技術的進步，如上個世紀七十年代的表面肌電儀（EMG）、九十年代的腦電儀（EEG），都為認識人體運動規律發揮了重大作用。目前還沒有傳感器能夠檢測運動過程中肌細胞內部發生的變化，這在當今世界還是一個空白領域。

4.7 骨骼肌組織工程學

骨骼肌組織工程學是組織工程學的一個領域，其基本方法與普通組織工程一樣，即將體外培養擴增的種子細胞種植在合適的支架材料上，再加以適當的細胞因子植入生物體內，從而構建出新生的組織工程骨骼肌。國外已經有研究[30]利用該方法分析運動對骨骼肌生理機制和功能的影響，更進一步可以了解骨骼肌對訓練刺激產生適應的分子生物學機制。

5 結語

從前文對當前世界高端創新研究的總結可以看出，工作在體育科學及其相關領域的學者以其敏銳的觀察力和勤勉的工作風格為本領域的創新研究做出了杰出的貢獻，這些成果使人類的自我認識和發展登上了一個新的臺階。當然從本文的研究總結可以看出，中國體育科學領域的研究水平還是相對較低，特別在基因領域的研究更是遠遠落后于其他國家。不過，相信經過我們堅持不懈的努力，一定會縮短兩者的差距，并在個別關鍵點取得豐碩的成果。

[1]田野，任海，馮連世，等.中國體育科學發展現狀與展望[J].體育科學，2005，（1）:5-10.

[2]Baldwin,K.M.and F.Haddad"Research in the Exercise Sciences:Where We Are and Where Do We Go From Here-Part II."[J].Exercise and Sport Sciences Reviews.,2010，（2）:42-50.

[3]Bray MS,Hagberg JM,Pe?russe L,et al.The human gene map for performance and health-related fitness phenotypes:the 2006-2007 update[J].Med.Sci.Sports Exerc.,2009，41:35-73.

[4]Yang N,Garton F,North K.alpha-Actinin-3 and performance[J].Med.Sport Sci.,2009，54:88-101.

[5]Malek MH,Olfert IM.Global deletion of thrombospondin-1 increases cardiac and skeletal muscle capillarity and exercise capacity in mice[J].Exp.Physiol.,2009，94:749-60.

[6]Lu PY,Xie F,Woodle MC.In vivo application of RNA interference:from functional genomics to therapeutics.Advances in genetics.In:Leaf Huang M-CH,and Wagner E,editors.Non-Viral Vectors for Gene Therapy,Second Edition:Part 2（Volume 54 ed.）,San Diego （CA）:Academic Press;2005，115-42.

[7]Hassan A.Potential applications of RNA interference-based therapeutics in the treatment of cardiovascular disease[J].Recent Pat.Cardiovasc.Drug Discov.,2006，（1）:141-9.

[8]Mehler MF.Epigenetics and the nervous system[J].Ann.Neurol.,2008，64:602-17.

[9]Pandorf CE,Haddad F,Roy RR,Qin AX,Edgerton VR,Baldwin KM.Dynamics of myosin heavy chain gene regulation in slow skeletal muscle:role of natural antisense RNA[J].J.Biol.Chem.,2006，281:38、330-42.

[10]Rinaldi C,Haddad F,Bodell PW,Qin AX,Jiang W,Baldwin KM.Intergenic bidirectional promoter and cooperative regulation of the IIx and IIb MHC genes in fast skeletal muscle[J].Am.J.Physiol.Regul.Integr.Comp.Physiol.,2008，295:208-18.

[11]Pandorf CE,Haddad F,Wright C,Bodell PW,Baldwin KM.Differential epigenetic modifications of histones at the myosin heavy chain genes in fast and slow skeletal muscle fibers and in response to muscle unloading[J].Am.J.Physiol.Cell Physiol.,2009，297:C6-16.

[12]Collins A,Hill LE,Chandramohan Y,Whitcomb D,Droste SK,Reul JM.Exercise improves cognitive responses to psychological stress through enhancement of epigenetic mechanisms and gene expression in the dentate gyrus[J].PLoS ONE.,2009，4:e4330.

[13]Howlett RA,Kirkton SD,Gonzalez NC,et al.Peripheral oxygen transport and utilization in rats following continued selective breeding for endurance running capacity[J].J.Appl.Physiol.,2009，106:1819-25.

[14]Callis TE,Deng Z,Chen J-F,Wang D-Z.Muscling through the microRNA world[J].Exp.Biol.Med.,2008，233:131-8.

[15]胡揚,劉雙虎.基因興奮劑[J].體育科學， 2007，（4）:95-96.

[16]Pedersen BK,Akerstrom TCA,Nielsen AR,Fischer CP.Role of myokines in exercise and metabolism[J].J.Appl.Physiol.,2007，103:1093-8.

[17]Riechman SE,Balasekaran G,Roth SM,Ferrell RE.Association of interleukin-15 protein and interleukin-15 receptor genetic variation with resistance exercise training responses[J].J.Appl.Physiol.,2004，97:2214-9.

[18]Mackey AL,Heinemeier KM,Anneli Koskinen SO,Kjaer M.Dynamic adaptation of tendon and muscle connective tissue to mechanical loading[J].Connect.Tissue Res.,2008，49:165-8.

[19]Suuriniemi M,Mahonen A,Kovanen V,et al.Association between exercise and pubertal BMD is modulated by estrogen receptor alpha genotype[J].J.Bone Miner.Res.,2004，19:1758-65.

[20]Hamrick M,Skedros J,Pennington C,McNeil P.Increased osteogenic response to exercise in metaphyseal versus diaphyseal cortical bone[J].J.Musculoskelet.Neuronal.Interact.,2006，6:258-63.

[21]Petrella JK,Kim JS,Mayhew DL,Cross JM,Bamman MM.Potent myofiber hypertrophy during resistance training in humans is associated with satellite cell-mediated myonuclear addition:a cluster analysis[J].J.Appl.Physiol.,2008，104:1736-42.

[22]Adams GR,Caiozzo VJ,Haddad F,Baldwin KM.Cellular and molecular responses to increased skeletal muscle loading after irradiation[J].Am.J.Physiol.Cell Physiol.,2002，283:C1182-95.

[23]Narkar VA,Downes M,Yu RT,et al.AMPK and PPARdelta agonists are exercise mimetics.Cell.,2008，134:405-15.

[24]Booth FW,Laye MJ.Lack of adequate appreciation of physical exercise's complexities can pre-empt appropriate design and interpretation in scientific discovery[J].J.Physiol.,2009，587:5527-39.

[25]Hawley JA,Holloszy JO.Exercise:it's the real thing[J].Nutrition Rev.,2009，67:172-8.

[26]Banister EW,Calvert TW..A systems model of training for athletic performance[J].Aust J Sports Med.,1975，7:57-61.

[27]Calvert TW,Banister EW,Savage MV,et al.A systems model of the effects of training on physical performance[J].IEEE Trans Syst Man Cybern.,1976，（2）:94-102.

[28]Fitz-Clarke JR,Morton RH,Banister EW.Optimizing athletic performance by influence curves[J].J Appl Physiol.,1991，（3）:1151-8.

[29]Khodabukus,A.,J.Z.Paxton,et al.（2007）."Engineered Muscle:A Tool for Studying Muscle Physiology and Function."Exercise and Sport Sciences Reviews.,2010，（4）:186-191.