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仰望饮冰室

人思考,上帝就笑了,因为少一个痴呆需要他老人家摆平。。。

 
 
 

日志

 
 
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科普作者,松鼠会成员。

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分配能量的智慧  

2009-10-22 19:23:38|  分类: 科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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安达卢西亚位于西班牙南部的地中海西岸,面临太平洋。现在,这里正在举行世界最大自行车比赛之一的环西班牙?贝尔塔大奖赛。选手帕帕?贝奈海利所属的PaoPao啤酒队是一只弱小的队伍。但是,在山路的安达鲁西亚赛段,强队的选手们都会保存体力,为了消耗对手的体力贝奈海利在出发不久就开始以冲刺的速度行进,但其他选手都看着贝奈海利离开集团,因为没有人相信他会坚持下来。但对于帕帕,一位生于安达卢西亚的运动员,今天是他的主场。面对从未停止的酷热,时不时扬起的风沙,一种“我要去更远”的梦想不停地为帕帕加速…上面的故事源自一部名叫《茄子:安达卢西亚的夏天》只有47分钟的动画电影。但就是因为这短短的47分钟扣人心弦地凝固了故乡、人生、梦想、激情和如画般的安达卢西亚风光,该电影在2003年成为了第一部入选戛纳国际电影节导演周的日本动画电影。除了描写一种厚重的人生,整部电影都将镜头聚焦在环西班牙?贝尔塔大奖赛之上,从紧跟集团军维持体力——加速超车——全力冲刺,整个自行车运动中力量的协调,速度的变化跃然于光影之上。和自行车一样,大多数个人的运动竞技项目像赛跑、游泳和滑雪等都是“闭合性竞赛”——即运动员都在挑战一个固定距离或赛程的最短完成时间。但人类机体在短时间内产生的能量是一定的,这就意味着运动员要使用这有限的能量来和时间赛跑,让自己的效率达到最大化。这就涉及到一个能量分配的策略问题。

产能与耗能的较力

         要说明运动员能量的分配,有两个问题不得不要提及一下,就是能量的产生与疲劳的形成。我们吃的食物很大一部分都会被胃肠道化整为零、化繁为简地分解成糖类。糖的代谢有数条途径,但最重要的就是下面的两类,一类是葡萄糖在细胞的线粒体中通过无氧呼吸或有氧呼吸两种形式将组织中的糖类分解之后再合成ATP,当我们需要能量的时候就ATP就会分解释放能量;另一类是葡萄糖被肝脏和肌肉合成了糖原储备起来。这就是人体产能的简单过程。但肌肉中的ATP含量极少,一旦比赛开始,运动员肌肉内的ATP就会迅速耗尽,而通过有氧呼吸来分解葡萄糖供能的途径又是个耗时较多的过程,因此一旦现存的ATP耗尽,肌肉细胞便开始通过无氧呼吸以解决短时间的“能源危机”。

      随着无氧呼吸的进行,葡萄糖被酵解成了乳酸,细胞内的pH也随之下降。大量的代谢废物堆积以及细胞内环境的改变,使细胞的代谢过程受到了很大干扰。这个时候我们,肌肉能产生的力量减少了或是尽管人更“用力”但实际产生的力量却随之下降。以上的理论就是过去几十年来科学家对于“疲劳”产生的阐述。按照这个理论大量堆积的乳酸等代谢产物先削弱了肌肉的收缩功能,再向大脑传递“疲劳”的信号,这种生理上的解释被称作“周围”性疲劳。

      疲劳是人体重要的保护机制,有疲劳的感觉人就会调整活动量来避免出现代谢危机。因此光从代谢上诠释疲劳忽视了神经中枢的调节作用,因此现在多数观点把疲劳的产生看做是一种中枢疲劳。疲劳的产生主要是,周围器官(主要指骨骼肌和心肌)将信息通过脊神经的传入神经传至大脑(包括意识层和潜意识层)。也就是说,疲劳不是一种生理状态而是大脑所认知的一种精神症状。

规避疲劳

既然要将能量合理地分配到整个比赛之中,上文提到大脑的意识层和潜意识层是起决定性作用的器官。在体育比赛之前和比赛之中,大脑的潜意识层会对比赛的赛程进行分析,并会考虑到机体生理因素、代谢情况以及赛场的外部环境最终得出一个最理想、有效的体能分配计划,以保证内环境、代谢和生理环境的稳定。而疲劳这种“症状”则可以抑制意识层中“再加一把劲”的冲动。所以潜意识层是能量分配计划的设计师,意识层则是对计划进行微调、修改的最终决策者。听起来好像很神奇,我们的潜意识到底是不是真的没经过我们同意就私自确定了“最理想”的体能分布计划呢?许多学者都在探索其中的奥秘,其中英国金士顿大学生命科学学院的Les Ansley和南非体育科学研究所的Alan ST Clair Gibson等科学家2004年曾经做了一项很有意义的实验。

他们选取了7名训练有素的自行车运动员,进行三段4公里赛程的训练。他们通过测定运动员的氧气消耗量、体能输出总量、心率和肌电图来监测运动员的生理环境变化。总赛程是:

10分钟热身——运动员维持35-40公里每小时的速度2分钟倒计时——第一段4公里——10分钟休息——5分钟热身——2分钟倒计时——第二段4公里——10分钟休息——5分钟热身——2分钟倒计时——第三段4公里。

研究人员只告诉运动员有3段4公里的路程和他已经完成的公里数,其他数据例如,骑行时间、心率,功率和耗氧量要等到实验结束再告知他们。得出的结果是很惊人的,尽管他们对自己骑了多长时间不知道,但他们三段4公里赛程的完成时间却惊人的相似。更令人惊讶的是,和第一段4公里的能量分配相比,第二段和第三段的能量消耗更少,也更有效,而且第二、三段的能量分配计划十分相近。

这样的结果证实了上面的理论,在第一段4公里期间,大脑潜意识层对运动员的速度,生理状态和赛程环境等因素进行分析,得出了一个相对理想的体能分配计划,因此三段赛程骑行时间相差无几。但大脑意识层对体能分配进行了微调,这也是为什么第二、三段赛程的总功率低于第一段赛程的,调整后的体能分配计划使用更少的能量却达到了一样的速度,这就是对机体调节体能分配的简单理解。

     剧烈的运动消耗肌肉的大量能量,有数据显示剧烈运动会消耗80%的肌糖原。尽管机体的体能分配机制能够更有效地利用有限的能量,但能不能通过提高肌肉组织的能量储备——糖原,来增加机体可以调动的能源,已达到增加运动员输出功率的效果呢,南非体育科 学研究所的科学家Alan ST Clair Gibson等人2005年突发奇想,将一组自行车运动员分别在正常饮食和高糖饮食的情况下测试,结果发现8名运动员中7名在高糖饮食的情况下获得了更好地成绩。并发现无论训练前肌糖原浓度高低,经过大运动量训练,训练后的糖原浓度无大差别,从而得出一个假设,肌糖原是疲劳产生的信号分子。疲劳的产生机制与体能分配机制都是十分复杂的过程也是物种进化的结果,现在的理论尽管还都是些假说。但很多教练和运动员开始意识到了这种潜意识与意识结合的竞赛策略对于比赛的重要性及实际意义,并根据这些理论制定了科学的训练计划。

与时间赛跑

      一个运动员在闭合式竞赛中的速度取决于多个方面,既有自身的爆发力、持久力和机械动力还有外界的阻力,场地环境。而综合以上的种种情况,运动医学家人为地制定出了种种体能策略方案,包括:

       消极策略:消极策略指的是起步速度很慢,整个赛程都在加速。这种策略的好处是,减少了整个前半段赛程的乳酸积累,并且在最后有足够的神经兴奋与无氧呼吸功能储备。在1994年挪威利勒哈默尔冬奥会10000米速滑的赛道上,挪威老将科斯起步的速度就超过其他选手!第5圈,他还在加速,不知道他的今天的战略是怎样的;第10圈,他仍然在加速,不知道他还能坚持多久;第25圈,科斯以惊人速度完成了比赛,并刷新了万米速滑的世界纪录!这就是运用该战术最为成功的例子。正是在那次冬奥会中,东道国的速滑名将科斯分别获男子1500米、5000米和10000米速滑的冠军,并打破这3个项目的世界纪录。但使用这个策略也是有一定的限制的,即需要运动员对赛程的进度有准确的了解,知道自己还有多少路要走以调整加速度。

 全速前进:从字面上就可以看出,这是个只适合短跑的策略。众多百米飞人们整个赛程的50%~60%都是加速阶段,而起跑的爆发力的作用竟然占到总赛程的20%。斯坦福大学的数学教授Keller.JB在1974年得出结论是,全速策略在赛程少于291m的田径项目中可以达到理想的效果。之后的生理学研究得出的结果是无氧呼吸在全速短跑中可以持续的时间大约是20~60秒的时间,这也间接地证明了Keller JB教授的结论。

神奇的平均律:在相对固定的竞赛环境下,赛程超过2分钟的竞赛像长跑、游泳、赛艇、滑雪、速滑和自行车等都可以使用这种竞赛策略。许多世界记录的诞生都要归功于平均律。埃塞俄比亚的田径名将格布雷希拉希耶,1998年6月在荷兰亨格罗以26:22.75打破肯尼亚选手特肯特保持的1万米长跑世界纪录时,跑完前五千米和后五千米所使用的时间竟然相同是13:11/13:11,这可以算是最成功的范例之一。另外保持马拉松世界最好成绩长达10年之久的埃塞俄比亚选手Belayneh Densamo,将马拉松将赛40余公里分成8段,每五公里的平均速度上下相差不超过10秒,15:05/ 15:00/ 15:06/ 15:00/ 15:01/ 15:09/ 14:58。这两项世界纪录就足以证明平均律是何等神兵利器了。

积极策略:积极策略指的是飞速起步,然后再逐渐减速。这种策略在环法,环意大利,环西班牙自行车赛中很常见,选手要从熙攘的集团中脱离出来。为了要赢得赛站或整个比赛的胜利,很多车手选择飞速起步。2001年芝加哥马拉松比赛中聘请的领跑员Ben Kimondiu以很快的速度起跑,并逐渐减速结果他获得了第一名。但在其他比赛中这个战术很少带来胜利。

除了上面的4个策略之外,还有诸如抛物线策略和灵活策略等等。最后值得我们思考的是,这些可能只应用于竞赛艺术的智慧,却深深地植根于人类对疲劳的理解和对自身生理极限的认识之上。英国沃尔索耳市伍尔弗汉普顿大学的运动科学家Alan Nevill与Bisham英国运动研究所的Gregory Whyte发现,人类跑步速度世界纪录的改写,正显示出逐渐停止的迹象,面对这样的预言,人类能否用科学指点出一条更高、更快、更强的路来创造更多的奇迹呢?

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