關于運動員供能特征研究的理論綜述

張志成，王慶然，周千惠

1 運動員競技能力及訓練

“競技能力”一詞，英文稱“performance ability”，德語稱“l(fā)eistungs fahigkeit”，日語稱“競技力”，其含義為運動員參加訓練和比賽所必須具備的能力，是運動員技能、體能和心理能力的綜合，亦被稱為運動能力［1］。運動員競技能力構成因素研究是競技能力結構、競技能力功能研究的基礎。前民主德國學者哈雷博士認為:運動員競技能力依賴于運動員的身體能力、技術和戰(zhàn)術的熟練性、智力以及知識和經驗［2］。德國運動訓練專家葛歐瑟博士在他的研究中指出:運動員運動競技能力的現實狀態(tài)包括素質、技術、心理三個方面的因素［3］。

俄羅斯莫斯科體院的教科書《運動訓練的體育理論與方法》指出，“訓練水平”通常指在訓練的影響下，運動員機體內發(fā)生的生物適應性改變(功能的和形態(tài)的)［4］。顯然，在這一定義中未提到運動成績。所謂訓練水平應該是運動員在所選的運動項目中，具有達到一定運動成績的潛在能力，這種能力表現為運動技術水平、體力、戰(zhàn)術、意志能力和智力水平。運動員的訓練水平越高，工作能力越強，成績也越好。田麥久等專家在《運動訓練學》一書中指出:訓練水平包括運動員的身體形態(tài)、機能和運動素質、專項運動技術和戰(zhàn)術、訓練品質和意志品質、智力發(fā)展水平等［5］。

2 運動員運動能力的代謝基礎

競技能力又稱運動能力，是指人體參加運動和訓練所具備的能力，是人的身體形態(tài)、素質、機能、技能和心理能力等因素的綜合表現。從運動生理學、生物力學、生物化學角度分析，人體運動能力的大小主要取決于人體運動過程中能量的代謝、供給、轉化和利用的能力［6］。眾多學者將線粒體內ATP的合成速率作為評定運動能力的一項監(jiān)測指標。因此研究者將如何提高線粒體ATP合成速率作為提高運動員競技能力的突破口，但是近期的研究成果開始懷疑線粒體ATP合成速率對運動能力的重要性。相關實驗研究表明:運動員在高強度運動下產生疲勞，細胞ATP濃度高于肌纖維最大收縮所需濃度的100多倍［7］。在疲勞狀態(tài)下，機體內ATP代謝速率并未下降，可能是運動中線粒體氧化磷酸合成ATP能力的相對不足導致機體依賴“補償機制”來保持細胞內ATP的含量［8］。在短時間、大強度的運動中，體內CP含量下降，因此在短時間、大強度運動后機體內ATP－CP含量迅速下降，這也是導致運動能力下降的重要原因。通過對機體ATP－CP含量進行測試，發(fā)現ATP代謝速率明顯加快，但是合成速率也明顯加快。CP的含量明顯降低，僅占運動前機體CP含量的20%［9］。

短時間、大強度的運動主要消耗機體ATP－CP來提供能量。長時間、小強度運動時，機體首先利用糖來氧化供能，待機體糖耗竭時，開始動用脂肪、蛋白質來提供能量。前者成為無氧供能，后者成為有氧供能。運動能力的內在表現主要體現在人體在運動時輸出的無氧和有氧代謝能力的大小。有氧代謝與無氧代謝和運動能力的關系是與運動專項相適應的。人體在運動過程中有氧、無氧供能代謝的主要內容如表1所示。

表1 無氧代謝和有氧代謝供能過程概要

3 有氧能力的基本理論及實踐

人體在進行有大量肌肉參與的長時間激烈運動中，心肺功能和肌肉利用氧的能力達到本人極限水平時，單位時間內所能攝取的氧量稱為最大攝氧量(maximal oxygen consumption，VO2max)。有氧工作能力(aerobic working capacity)是指反映本人的有氧供能的能力。這種能力包括最大攝氧量、維持最大和次最大攝氧量的能力［10］。有氧能力是基于骨骼肌的特征、神經調節(jié)能力、能量供應特征等來實現人體長時間進行有氧工作的能力。肌肉內毛細血管網開放數量的增加，可使單位時間內肌肉血流量增加，血液可攜帶更多的氧供給肌肉。每100毫升動脈血流經組織時利用氧的百分率稱為氧的利用率，表示肌肉利用氧的能力。肌組織利用氧的能力主要與肌纖維類型及其代謝特點有關。優(yōu)秀耐力運動員慢肌纖維百分比高，肌紅蛋白、線粒體和氧化酶活性高、毛細血管數量多［10］。能量的發(fā)放過程是在線粒體中進行的。糖酵解產生丙酮酸，脂肪酸經β－氧化、氨基酸脫氫基之后都進入線粒體參加三羧酸循環(huán)，完成氧化過程。Terrados(1988)在模擬高原條件下，對自行車運動員進行監(jiān)測，測得其運動后肌肉的PFK(磷酸果糖激酶)活性降低，顯示糖酵解活動下降。在高原隨著糖酵解能力衰退，自由脂肪酸的利用加大，標志是3羥基－輔酶A脫氫酶(3－h(huán)ydroxy－CoA dehydrogenase－HADH)活性增加。Mizuno(1990)對10名越野滑雪運動員在高原訓練兩周后的肌肉進行活檢，發(fā)現肌纖維毛細血管有了明顯的變化，而線粒體的酶活性沒有發(fā)生變化，腓腸肌毛細血管無明顯變化。說明高原訓練增加了毛細血管的數量，導致運動員有氧能力的提高。

大腦皮質神經過程的穩(wěn)定性以及中樞之間的協(xié)調性對有氧能力的調節(jié)起著重要的作用。大腦皮層是調節(jié)機體各系統(tǒng)生理機能及維持機體與外界環(huán)境相互統(tǒng)一的主導者，對缺氧的敏感性最高。Eapoamola的研究指出，機體在缺氧時葡萄糖的無氧代謝加速，主要是通過糖酵解供給能量，監(jiān)測高原訓練對運動員的大腦平層、延髓里葡萄糖和糖原酵解的速度變化，2周后大腦皮層糖原酵解速度是對照值的126%，延髓206%。陳根春等(2001)通過用間歇性低氧性吸入方法研究人及動物(小鼠)腦組織及神經系統(tǒng)，發(fā)現間歇性低氧可有效增強腦組織及神經系統(tǒng)的抗缺氧能力，可提高機體在缺氧條件下的心理反應能力。研究表明:運動員有氧能力對耐力性運動項目的運動成績起著重要的作用，而對于耐力性運動項目運動員體能的評定通過采用與有氧能力相關的指標來對運動員體能及身體狀況進行評價。運動員有氧能力的測試一般通過逐級遞增跑臺來進行實驗，通過遞增跑臺跑速增加運動負荷，將運動員在跑的過程中呼出的氣體通過心肺功能測試儀進行分析，由計算機計算有氧能力相關氣體指標，或者通過功率自行車對運動員有氧能力進行測定。有氧能力的實踐及應用在中國體育項目中已取得了一定的成效，其廣泛應用于中長跑、自行車、短道速滑、速度滑冰及賽艇等運動項目。

4 無氧能力的基本理論及實踐

無氧能力受肌肉形態(tài)及機能的影響，肌肉形態(tài)對肌肉做功能力影響很大，肌節(jié)的排列、肌纖維的長度、肌肉橫截面積等對無氧運動的能力影響較大。肌纖維對無氧能力的影響主要體現在無氧代謝快肌纖維的比例上。快肌纖維比例高的肌肉，收縮時無氧功率輸出值越大、在無氧代謝供能為主的運動中，快肌纖維越多或橫斷面積越大，維持最大功率輸出的時間會相對延長［6］。一般來講無氧能力持續(xù)時間較短，而短時間盡最大能力運動的能量主要來自內源高能磷酸化合物和肌糖原。在短時間力竭性運動中，ATP含量下降40%，CP含量接近1.0mmol·kg－1濕肌，肌糖元含量消耗不到一半。所以，肌糖元不是限制無氧能力的主要因素，相關學者利用肌肉活檢方法進行研究，得出決定無氧能力的主要因素是CP的貯存量。近年來國外眾多學者一致認為，肌糖元的儲備量不是決定無氧能力大小的因素。利用相關儀器測定肌肉CP含量在無氧能力中起決定性作用，并且CP對肌肉的ATP和ADP的濃度起到緩沖作用(表2)。

表2 不同時間極量運動對肌肉代謝物和pH的影響

5 運動后血乳酸生成的機理

乳酸在供能系統(tǒng)體系中占有重要的地位。它是糖酵解供能系統(tǒng)的終產物，又是有氧代謝功能系統(tǒng)的重要氧化基質，還可以在肝內經糖異生途徑轉變?yōu)槠咸烟恰０察o狀態(tài)下，肌肉代謝率低，以氧化脂肪酸為主，亦有低速率乳酸生成，骨骼肌乳酸濃度約為1mmol·kg－1濕肌。運動時，骨骼肌是產生乳酸的主要場所［6］。在進行短時極限運動時，由于細胞內磷酸原較少，隨著ATP、ADP的不斷消耗，同時細胞內ADP、AMP、磷酸和肌酸的含量逐漸增多，這些物質可以激活糖原的分解，加快糖酵解的速度。持續(xù)大強度運動30～60s時糖酵解的速度可達到最大。乳酸濃度也隨之增多。自行車運動員在90s力竭性運動過程中，其血乳酸濃度最大可達到39 毫摩爾/千克濕肌［6］。

運動員在進行長時間較大強度運動時，其機體能量的供應主要由糖、脂肪、蛋白質有氧代謝提供。在運動開始的前一階段，由于運動員局部出現缺血引起的暫時供氧不足，導致機體血乳酸含量增多，持續(xù)運動5～10min獲得穩(wěn)定的氧耗率，糖酵解速度減慢，開始消除機體內堆積的血乳酸［6］。在進行中等強度運動時，運動員機體處于不缺氧的狀態(tài)，這時機體內仍然能夠產生乳酸，但是所產生的乳酸并不是由于缺氧造成的，而是由氧的利用率不高造成的。因此在線粒體達到最大值的激活過程(1～2min)前，即使機體不缺氧，也會造成丙酮酸和還原型輔酶Ⅰ的生成速率與氧化速率之間的暫時不平衡，導致細胞之內丙酮酸和還原型輔酶Ⅰ堆積，引起血乳酸濃度的提升［6］。

6 運動員有氧與無氧能力的動態(tài)關聯(lián)

目前，關于運動員供能特征的研究基本集中在單一的有氧供能或無氧供能層面。任何運動項目的供能都絕非依靠單一的供能系統(tǒng)，需要機體不同供能系統(tǒng)共同參與。所以，深入探索運動員訓練和比賽過程中的有氧與無氧供能比例關系能夠對運動員的運動代謝有更加準確的了解。而多數教練員在對運動員制定訓練計劃和安排訓練負荷時，基本都是按照運動員的供能強度來進行的。如在中長跑運動項目中，教練員主要按照專項訓練的強度(時間)將無氧無乳酸(ATP－CP)從無氧供能中分離出來，按照運動強度的分配，雖然無氧供能在中長跑運動項目中也參與供能，但是以往訓練中主要是磷酸原無氧供能形式進行訓練，脫離了中場跑訓練的實際要求，而無氧無乳酸(ATP－CP)則是無氧供能的次級供能系統(tǒng)，其在中長跑訓練中占有重要的比例［12］。按照運動員專項訓練的供能強度來劃分運動員有氧與無氧供能的比例及運動員爆發(fā)力和耐力的發(fā)展計劃，對運動員運動成績的提高無疑具有重要的意義。但是運動項目中的有氧與無氧供能比例具有長期性、宏觀性和階段性的特征，不能生搬硬套地將運動項目的供能比例強行施加在運動員身上，要根據運動員自身特征、運動項目的發(fā)展規(guī)律以及當今競技體育的變化規(guī)律等確定運動員有氧與無氧供能的動態(tài)關聯(lián)，這樣對運動訓練的指導更加具有實踐意義。

［1］田麥久.論運動訓練過程［M］.成都:四川教育出版社，1988:42.

［2］［前民主德國］迪特里希.訓練學——運動訓練的理論與方法導論［M］.蔡俊五，等譯.北京:人民體育出版社，1985:12.

［3］［德］葛歐瑟.運動訓練學講稿［M］.田麥久，譯.北京:北京體育學院教務處，1983:80.

［4］［前蘇聯(lián)］B.H.普拉托諾夫.運動訓練的理論與方法［M］.陸紹中，等譯.武漢體育學院編印，1986:78.

［5］田麥久，劉大慶主編.運動訓練學［M］.北京:人民體育出版社，2012，2:152.

［6］馮美云，馮煒權，林文韜.運動生物化學［M］.北京:人民體育出版社，1999:200－201.

［7］Scoderlund K，Hultman E.ATP content in single fibers fromhuman skeletal muscle after electrical stimulation and during recovery［J］.Acta Physiol Scand，1990，139:459－432.

［8］Chasiotis D，Bergstrom M，Hultman E.ATP utilization and force during intermittent and continuous muscle contractions［J］.JAppl Physiol，1987，63(1):167－174.

［9］楊樺，李宗浩，池建，等.運動訓練學［M］.北京:北京體育大學出版社，2007:73－74.

［10］鄧樹勛，王健，喬德才.運動生理學［M］.北京:高等教育出版社，2005:328－329.

［11］周紅律.排球運動物質代謝和能量代謝的探討［J］.武漢體育學院學報，2000，34(6):91－92.

［12］NEUMANN G.Physiologische Grund lagen der Ausdaueren－twicklung［J］.Medizin Sport，1984，24(6):174－178.