模擬全程馬拉松跑過程中能量代謝的變化

魏文哲，孫 科，趙之光，肖卓威，高 偉，吳 昊，王子威

近年來，馬拉松等長距離跑項目越來越受到人們的喜愛和關注，成績也得到了大幅度提高，世界紀錄已經接近2∶00∶00。有研究表明，完成全程馬拉松需要消耗的能量約為2 800 kcal（Costill，1988）。跑步需要的這些能量，由呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)以及運動系統(tǒng)等共同協(xié)作提供。過去由于測試設備過于笨重和完成全程馬拉松本身的難度，關于全程馬拉松過程中攝氧量（V·O2）、二氧化碳排出量、心率等能量代謝相關指標的變化，以及運動前后體重、血紅蛋白、白細胞的變化等方面，國內未見相關研究，在國際上也缺乏高水平運動員全程馬拉松跑實際測試的研究。這些指標在全程馬拉松跑中的變化，對于更加深入地了解馬拉松項目和指導馬拉松訓練具有重要意義。

隨著近年來科學技術的發(fā)展，已經可以通過運動心肺測試系統(tǒng)實時采集每一次呼吸的通氣量、吸入和呼出氣體的氧濃度、二氧化碳濃度以及心率，并能夠準確計算出V·O2、二氧化碳排出量、潮氣量、氧脈搏、總能耗、糖消耗量、脂肪消耗量等生理學數(shù)據(jù)，具備了進一步研究的條件。

本研究以1名優(yōu)秀馬拉松運動員為實驗對象，在跑步機上完成全程馬拉松跑，通過運動心肺測試系統(tǒng)全程采集能量代謝相關指標，并與其同期所測得的最大值進行對比。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

受試者為26歲的肯尼亞男子優(yōu)秀馬拉松運動員，身高161 cm，體重51.2 kg，體脂肪率為17.8%。其近2年全程馬拉松最好成績?yōu)?∶10∶00，在本次測試結束后1周參加的半程馬拉松成績?yōu)?∶02∶00。在測試前，對受試者告知了所有要進行的測試內容以及可能出現(xiàn)的風險，并征得其同意。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗流程

1）在跑步機模擬馬拉松跑的3天前，在跑步機上進行運動有氧能力測試，獲得最大攝氧量（V·O2max）、無氧閾及其參數(shù)。2）在跑步機模擬馬拉松跑前15 min，采集靜脈血，測試指血血乳酸、指血血糖，稱量體重后開始記錄補水量。隨后開始進行準備活動。3）在跑步機模擬馬拉松跑前3 min，佩戴采氣面罩和心率表發(fā)射帶。4）跑步機模擬馬拉松跑過程中，通過運動心肺評估系統(tǒng)連續(xù)測量心率和呼氣成分。室溫保持在20℃～22℃，濕度保持在40%～50%。5）跑步機模擬馬拉松跑結束后，即刻采集指血，測試血乳酸、血糖并稱量體重。5 min之后，采集靜脈血。

1.2.2 測試方法

1.2.2.1 血液生化指標測試方法

分別在運動前第15 min和運動結束后即刻采集指血，測試指血血乳酸、指血血糖。運動結束后第5 min，采集靜脈血測試血常規(guī)三分類指標。

1.2.2.2 遞增跑運動有氧能力測試方法

在跑步機上，先以10 km/h速度運動3 min后，再以每分鐘平均遞增1 km/h的方式線性遞增速度，直至力竭。力竭標準參考了山地啓司等（2001）的研究，即出現(xiàn)以下條件中的2個或2個以上：1）受試者不能保持規(guī)定的運動速度；2）V·O2不再增加而出現(xiàn)平臺；3）呼吸商＞1.10；4）運動中心率＞最大推算心率：［（220－年齡）－10 bpm］；5）運動后血乳酸＞8 mmol/L。在測試結束時，受試者滿足了上述條件中 1）、3）、4）、5）4個條件。

在整個運動過程中，通過運動心肺評估系統(tǒng)連續(xù)測量心率和呼氣成分，以 V·O2的最大值為 V·O2max，以遞增負荷中V·O2max出現(xiàn)時的對應速度和心率為V·O2max速度和最V·O2max心率；無氧閾由2名有經驗的專業(yè)人員共同判斷，判斷方法采用V-slope法（Beaver et al.，1986），將通氣量、二氧化碳排出量發(fā)生激增的點定義為通氣無氧閾，將與其對應的 V·O2、速度、心率為無氧閾 V·O2、無氧閾速度、無氧閾心率。

1.2.2.3 跑步機模擬馬拉松跑過程中能量代謝測試

原計劃一次性完成全程馬拉松，但由于佩戴采樣面罩無法補水和吐痰，在預實驗后，決定將測試過程分為2次。第1天，佩戴采樣面罩和心率表發(fā)射帶完成24.2 km；間歇7天后，在同一時間，在只帶心率表發(fā)射帶的情況下先完成24.2 km，之后在5 min內再佩戴采樣面罩，并用規(guī)定速度完成剩余18.0 km（圖1）。2次跑步均采用18 km·h-1恒定速度（V·O2max速度的78.9%），跑步總時長為2∶21∶00。

圖1 跑步機全程馬拉松跑能量代謝測試過程Figure 1. Energy Metabolism Test Process of Treadmill Marathon

2 實驗結果

2.1 有氧運動能力測試結果

從無氧閾速度、V·O2max來看，均達到了優(yōu)秀標準（表1）。

表1 有氧能力測試結果Table 1 Aerobic Capacity Test Results

2.2 長跑過程中佩戴采樣面罩對部分生理生化指標的影響

由于本實驗是分2次完成，即先在佩戴采樣面罩和心率表發(fā)射帶的條件下，以18 km·h-1的恒定速度（V·O2max速度的78.9%）完成24.2 km，之后在間歇一周之后的同一時間段，在只帶心率表發(fā)射帶的情況下，先以18 km·h-1的恒定速度完成24.2 km，之后在5 min內再佩戴面罩，并用規(guī)定速度完成剩余18.0 km，因此需要比較在跑步過程中佩戴面罩和不佩戴面罩帶來的影響。

佩戴面罩時，體重下降更多，而血乳酸和血糖的變化趨勢接近（表2、3）。在運動中前40 min，佩戴面罩和不佩戴面罩時的心率接近，但之后在佩戴面罩的情況下，心率逐漸上升，而在未戴面罩的情況下，心率仍保持穩(wěn)定（圖2）。

表2 佩戴采樣面罩跑步24.2 km時體重的變化Table 2 Changes of Body Weight during 24.2 km Running with Sampling Mask

表3 佩戴采樣面罩跑步24.2 km時血乳酸和血糖的變化Table 3 Changes of Blood LacticAcid and Blood Glucose during 24.2 km Running with Sampling Mask

圖2 運動中佩戴采樣面罩引起的心率變化Figure 2. Heart Rate Changes Caused by Wearing Sampling Mask during Exercise

2.3 全程馬拉松跑過程中能量代謝指標的變化

分析佩戴采樣面罩的第1天24.2 km跑和第8天18 km跑過程中各項能量代謝相關指標（圖3～6）發(fā)現(xiàn)，由于佩戴面罩停止運動了5 min，因此第81 min為重新起跑階段，各項指標有明顯波動。

圖3 全程馬拉松跑過程中V·O2、二氧化碳排出量及呼吸商的變化Figure 3. Changes of Oxygen Uptake，Carbon Dioxide Emission and Respiratory Quotient during the Whole Marathon

通過馬拉松跑過程中V·O2、二氧化碳排出量和呼吸商的變化（圖3）可以看出，在整個馬拉松跑過程中，V·O2一直保持相對穩(wěn)定，平均值為 56.0±2.8 ml·kg-1·min-1，是其V·O2max的75.4%。二氧化碳排出量在后1/3處略有提升，但提升幅度有限。呼吸商基本保持在0.9～1.0之間。

心率方面，隨著運動的持續(xù)，從第40 min開始呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，結束時的心率達到173 bpm，是其V·O2max心率的92.5%，平均心率為166.1±5.3 bpm，是V·O2max心率的88.8%。氧脈搏呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，結束時為16.9 ml，是最大氧脈搏的82.8%（圖4）。

圖4 全程馬拉松跑過程中心率與氧脈搏的變化Figure 4. Changes of Heart Rate and Oxygen Pulse in the Whole Marathon

從每公里能耗來看，雖然出現(xiàn)一些波動，但基本處于0.90～0.98 kcal·kg-1·km-1范圍內，平均值為 0.94±0.03 kcal·kg-1·km-1。其中，糖供能的比例約占87.8%，脂肪供能比例占12.2%（圖5）。

圖5 全程馬拉松跑過程中每公里能耗的變化Figure 5. Changes in Energy Consumption Per Kilometer during the Whole Marathon

在整個馬拉松過程中，通氣量和潮氣量均保持穩(wěn)定，平均值分別為76.3±4.5 L和1.34±0.04 L，分別占遞增速度跑過程中最大通氣量和最大潮氣量的67.0%和81.0%（圖6）。

2.4 全程馬拉松跑前后部分生理生化指標的變化

通過分析全程馬拉松跑前后體重、血乳酸和血糖的變化（表4、5）發(fā)現(xiàn)，體重方面，在補水500 ml的情況下，共下降3.04 kg。血乳酸基本沒有發(fā)生變化，血糖從6.1 mmol·L-1下降到 5.1 mmol·L-1。

為降低血液量對指標的影響，運動后的指標用紅細胞壓積進行了校正。經校正后，紅細胞及其參數(shù)變化幅度不大，白細胞等免疫相關細胞的變化較大，白細胞總數(shù)量以及單核細胞數(shù)、粒細胞數(shù)的變化幅度超過了100%（表6）。

圖6 全程馬拉松跑過程中通氣量和潮氣量的變化Figure 6. Changes of Ventilation Volume and Tidal Volume during the Whole Marathon

表4 全程馬拉松跑前后體重的變化Table 4 Changes of Body Weight before and after the Marathon

表5 全程馬拉松跑前后血乳酸和血糖的變化Table 5 Changes of Blood LacticAcid and Blood Glucose before and after Whole Marathon

3 討論

為了更加準確了解馬拉松跑過程中的能量代謝變化特點，在公路馬拉松跑實踐中進行測試是最為理想的。但在公路上，受試者不僅要承受額外的重量（目前最輕便的運動心肺測試系統(tǒng)設備總重量達1 kg以上），而且皮膚還可能會因反復長時間與設備摩擦出現(xiàn)傷病和疼痛。此外，在室外測試結果還會受不同溫度、濕度、風向、日照、坡度等外界環(huán)境的影響。而在嚴格控制溫度和濕度的實驗室中，通過高精度跑步機進行測試，雖然動作和空氣阻力方面與真實的馬拉松跑有少許區(qū)別，但可以避免上述影響。本研究主要探究在與馬拉松跑強度接近的情況下，持續(xù)奔跑時能量代謝的變化情況。

在實驗中，受試者的恒定跑速為18.0 km·h-1，是其無氧閾速度的93.2%和V·O2max速度的78.9%，基本與其他馬拉松跑相關研究相對強度接近（Maron et al.，1976；Maughan et al.，1983），說明測試的運動強度較接近于真實馬拉松跑的運動強度。

表6 全程馬拉松跑前后部分靜脈血指標的變化Table 6 Changes of Some Venous Blood Indexes before and after Whole Marathon

由于受試者體重較小，在全程馬拉松過程中只消耗了1 977 kcal能量。其中，糖供能比例約占87.8%（約423.4 g），脂肪供能比例占12.2%。按每公斤體重計算，在全程馬拉松跑過程中糖和脂肪消耗總量為8.4 g·kg-1和0.5g·kg-1。計算代表動作經濟性的每公里每公斤體重能耗，全程基本維持在0.90～0.98 kcal范圍內，平均值為0.94 kcal。研究發(fā)現(xiàn)，肯尼亞運動員的跑步動作經濟性較好，很多優(yōu)秀運動員甚至可以達到每公里能耗0.80～0.85 kcal·kg-1（Wilber et al.，2012）。在本次實驗中，實驗對象也是優(yōu)秀的肯尼亞運動員，其平均每公里能耗為0.94 kcal·kg-1，表現(xiàn)出較大差距，原因可能是該受試者在參加本次測試時體脂率相對較高（17.8%）引起的。在重要賽事前，優(yōu)秀男子馬拉松運動員一般會將體脂肪率控制在5%～10%，同時對其作出跑步動作經濟性的測試。而本研究受試者在接受測試時體脂較高，若將其體脂率控制在5%～10%，理論上每公里能耗將下降為0.82～0.87 kcal·kg-1，基本與其他研究結果相當。

從V·O2的變化來看，在馬拉松跑全程中基本平穩(wěn)，平均值為 56.0 ml·kg-1·min-1，占其 V·O2max的 75.4%。從心率來看，全程平均心率為166 bpm，是V·O2max心率的88.8%，結束時的心率達到173 bpm，是V·O2max心率的92.5%，略低于Costill（1970）研究結果中的上升幅度。縱觀全程馬拉松跑過程，心率呈現(xiàn)出隨著運動持續(xù)時間的延長而上升的趨勢，代表每次心跳耗氧量的氧脈搏呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，從開始階段的最高值17.8 ml，下降到結束時的16.9 ml，下降幅度為4.7%。

由于馬拉松跑的距離長、產熱多，因而需要通過大量排汗的形式散熱，才能避免體溫過度上升。體液的過量丟失，有可能引起血液量的下降（每搏輸出量的下降），為了保持對運動肌肉的氧供，心臟需要通過增加泵血次數(shù)，即心率的增加來維持每分輸出量（Adrian，2006）。在本研究中，受試者分別在佩戴和不佩戴采樣面罩的情況下完成了24.2 km。其中，在佩戴面罩跑步的過程中，全程沒有飲水，而未戴面罩跑步的過程中補水200 ml。雖然在前40 min佩戴面罩和未戴面罩的心率接近，但之后在佩戴面罩的情況下，心率開始逐漸上升，而在未戴面罩的情況下，心率仍保持穩(wěn)定，原因可能是由于失水量的差異造成的。在本研究的前24.2 km跑前后，戴面罩的情況下體重下降了2.10 kg（體重的4.2%），顯著高于不戴面罩時的體重下降1.54 kg（體重的3.0%）。說明在長距離跑過程中，經常性的補水，盡可能將體重下降幅度控制在3%以內，對于維持心臟的每搏輸出量是有利的（Helgerud et al.，2007）。

觀察馬拉松跑過程中通氣量、潮氣量和呼吸商的變化，三者雖然稍有波動，但總體保持相對穩(wěn)定。其中，通氣量和潮氣量的平均值分別為76.3 L和1.34 L，分別占遞增跑過程中最大通氣量和潮氣量的67.0%和81.0%，而呼吸商一直處于1.0以下，說明在此強度下沒有發(fā)生乳酸為代表的酸性物質的堆積。運動結束后的血乳酸值也證明了這一點。在測試結束后即刻，血乳酸值為2.2 mmol·L-1，與運動前的安靜值（2.1 mmol·L-1）相比幾乎沒有變化，這與Sjodin等（1981）的研究結論相近。

從全程馬拉松跑前后靜脈血部分指標的變化來看，經紅細胞壓積校正后，紅細胞及其參數(shù)變化幅度不大，白細胞等免疫相關細胞的變化較大，部分指標變化幅度超過了100%。說明馬拉松跑雖然不會引起血細胞的顯著下降，但可能會因血清皮質醇激素或是其他因素，如兒茶酚胺等的增加、呼吸道炎癥反應以及運動器官的損傷，引起骨髓、組織、血管壁等部位白細胞動員數(shù)量的大幅度增加（沙繼斌，1998；朱莉莉 等，2006）。

4 研究結論

本研究以一名優(yōu)秀馬拉松運動員為實驗對象，在跑步機上以接近于其V·O2max速度的80%強度完成了全程馬拉松跑，并在全過程中通過運動心肺測試系統(tǒng)采集能量代謝相關指標。

1）在全程馬拉松過程中，單位時間內V·O2、通氣量、潮氣量相對穩(wěn)定，平均值分別占遞增速度運動心肺測試中所測最大值的75.4%、67.0%、81.0%。

2）在不補充水分時，心率從第40 min開始出現(xiàn)逐漸上升的趨勢，結束時心率達到最大值的92.5%，全程平均值為最大心率的88.8%。

3）從每公斤體重的每公里能耗和呼吸商來看，全程基本保持穩(wěn)定，能量供應以糖的有氧代謝為主，乳酸產生量極少，糖和脂肪消耗總量為 8.4 g·kg-1和0.5 g·kg-1。

4）從靜脈血部分指標的變化來看，紅細胞及其參數(shù)變化幅度不大，白細胞等免疫相關細胞的變化較大。