動作與能量代謝 —— 人體運動的本質（下）

來自專欄 開元講堂

Note:本文引自我們的公號「LOCOMO耐力運動研究院」：動作與能量代謝 -- 人體運動的本質（下）| 學術派

競技體育是人類挑戰自身極限的一個過程，在這一過程中，不同學科分別從各自的角度出發，對人體運動不斷進行探索，試圖解析人體運動的奧秘所在。作為一門實用性學科，運動訓練學則致力於整合各個學科的研究成果，用以指導體育訓練。

在過去的半個世紀內，尤其是近20年以來，各個學科都飛速進展，並推動人類在各運動項目上達到一個又一個的新高度。現在「學術派」就來帶大家簡單回顧運動訓練學的發展，了解科學發展對運動訓練的巨大推進作用，最終進一步揭示人體運動的本質。

本期將承接上期內容，繼續為大家介紹上海體育學院黎涌明老師發表於《體育科學》2014年第2期的論文——《人體運動的本質》。

上篇主要帶大家回顧近些年科學進步對運動成績的推動，其具體表現為生理學對體能類項目的推動，以及生物力學對技能類項目的推動。（傳送門：《動作與能量代謝 —— 人體運動的本質（上）》）

而下篇則在此基礎上進一步為大家揭示人體運動的本質，以及如何將其用於指導訓練。

人體運動的外在本質——動作

人體運動是在能量供應下肌肉收縮牽動骨繞關節的運動。人體運動不存在單一肌肉的運動，任何肌肉的收縮都需要其他肌肉共同參與來完成。不同肌肉的這種組合收縮就表現為動作(如拉、推和旋)，而不同動作在空間上的組合則表現為技術(如扣球、跳躍等)。

不同動作在時間上的組合或同一動作在時間上的重複，甚至單一動作的完成，都需要人體通過代謝提供能量來完成。而力量、速度和耐力只不過是在能量供應下動作的不同重複方式， 如動作的最大重複表現為最大力量，動作的快速重複表現為速度，動作的多次重複表現為耐力。因此，可以發現，人體運動的本質為動作和能量代謝，動作是人體運動的外在本質，能量代謝為人體運動的內在本質。

動作可以按參與部位分為上身動作、下身動作和全身動作 ，動作也可以按完成方式分為推(離心)、拉(向心)和旋，而推和拉又可分為水平方向和垂直方向的推和拉，旋又可分為內旋和外旋(圖4)。

對動作的這種劃分是分析項目特徵並制定相應訓練方法的一個重要標準，如賽艇項目的技術分為4個環節(蹬腿、倒體、拉槳和回槳)，其中3個主要發力環節(蹬腿、倒體和拉槳)對應的動作為下肢的推、下肢的拉和上肢的拉。因此，賽艇項目的訓練任務主要為發展這3個動作的能量供應能力，而陸上力量練習動作則以深蹲(下肢推+下肢拉)、硬拉(下肢拉)和卧拉(上肢拉 ) 為主。

根據動作的完成是否符合人體解剖學原理和人體運動的專項技術要求，動作有正確和錯誤之分。正確的動作具備完成動作所需要的靈活性和穩定性，既能夠減小動作完成過程中對骨骼和肌肉帶來的傷害，又能夠降低動作完成過程中的能量損耗；錯誤的動作則不具備完成動作所需要的靈活性和穩定性，而由此帶來的是傷病風險和能量損 耗的增加。

例如，跑步所涉及的動作之一是下肢的推，而下肢推動作的正確方式要求膝關節沿足尖的方向運動，避免膝關節的內扣或外翻;如果下肢推動作的穩定性不足，出現膝關節內扣，則會降低下肢推的發力，增加膝關節半月板和十字韌帶受傷的風險。有研究表明，膝關節損傷與髖關節外展和外旋力量不足有關，而髖關節外展和外旋力量不足則具體表現為下肢推動作中膝關節的內扣。

從縱向發展來看，人體運動能力的提高應優先發展動作的靈活性和穩定性，使動作的完成功能化，然後再考慮 動作的難度(如增加負重和動作速度)和重複方式(如增加次數)，以發展動作的力量、速度和耐力。

假如運動員不具備深蹲動作的靈活性和穩定性，出現膝內扣和腰部鬆弛， 而教練員卻安排運動員進行深蹲的負重練習，那麼，由此帶來的後果很可能是受傷(如膝傷和腰傷)。在實際訓練過程中，我國的運動訓練往往對動作的靈活性和穩定性 (或動作的質量)重視不夠，運動員在青少年訓練階段以錯 誤的動作進行力量、速度和耐力的訓練，造成運動員在進入省隊和國家隊後動作和技術不正確，傷病多。

人體運動的內在本質——能量代謝

人體生命的維持是因為人體能夠源源不斷地通過代謝獲得能量以維持機體的運轉，包括食物消化、肌肉收縮、 神經傳導、血液循環、組織合成和腺體分泌等。人體運動時所需要的代謝原料(如氧氣)需要經由血液流至代謝的組織細胞，而代謝後的廢物(如二氧化碳)同樣需要經由血液進行排除，因此，血液量是能量代謝程度的一個重要標誌。 安靜狀態下，心臟每分泵出的血液量只有1200ml，其中，21%流往了肌肉；但是，最大運動時心臟每分泵出的血液量高達22000ml之多，且88%的血液流往了肌肉。因此，人體運動過程中，尤其是高強度運動過程中， 肌肉是能量代謝的主要場所。

肌肉收縮做功的直接能量來源是三磷酸腺苷(ATP)，但是，ATP在肌肉內的儲量非常有限(約5~7mmol/kg濕肌)，只夠肌肉進行3~4次最大收縮或者1~2s的最大持續做功。此後，肌肉需要通過其他途徑合成ATP，以繼續收縮做功。ATP的合成包括無氧非乳酸(磷酸原) 、無氧乳酸 (無氧糖酵解 )和有氧(葡萄糖和脂肪的氧化)3種途徑。ATP 合成的3條途徑也被稱為人體能量代謝的3大供能系統，三大供能系統對應的代謝原料、功率和做功能力如表1所示，其中，磷酸原供能系統的功率最大，但是做功能力最小，有氧供能系統的功率最小，但是做功能力最大。

ATP 合成的這3條途徑在任何時候都是同時存在的， 只是不同強度的肌肉收縮三者參與的比例不一樣。圖5 是三大供能系統在不同最大運動時間下的供能比例圖：

從中可以發現，當最大運動時間<10s時，肌肉收縮的能量供應以磷酸原為主，且隨著最大運動時間的延長，磷酸原供能比例下降，糖酵解供能比例增加，而有氧供能在<10s的最大運動中比例很小。當最大運動時間在10~60s之間時，肌肉收縮的能量供應以糖酵解為主，隨著最大運動時間的延長，糖酵解供能比例下降，有氧供能比例增加， 磷酸原供能比例也繼續下降。

此外，當最大運動時間在 10~30s間時，磷酸原供能比例高於有氧供能，當最大運動時間在30~60s時，有氧供能比例高於磷酸原供能。當最大運動時間>60s時，肌肉收縮的能量供應以有氧為主，且隨著最大運動時間的延長，有氧供能比例增加，而糖酵解和磷酸原供能比例下降。此外，有氧供能和無氧供能 (無氧非乳酸和無氧乳酸)主導供能的臨界點約為75s， 即最大運動時間短於75s時，能量供應以無氧為主，最大運動時間長於75s時，能量供應以有氧為主。

圖6是兩種不同類型的運動員在完成90s功率自行車全力運動過程中三大供能系統的能量供應變化。不管運動員屬於耐力型還是速度型，三大供能系統的總供能量在運動的前5s內都急劇增加，5s後總能量供應量都急劇下降，直至40s才進入緩慢下降區。

三大供能系統在此期間有著不同的特徵，磷酸原供能在運動開始後急劇增加，在2~3s內達到最高峰，然後急劇下降，到第10s時幾乎接近能量供應的最低值；糖酵解供能在運動開始後也急劇增加，並在第10~12s時達到最高峰，之後急劇下降至第40s，然後進入緩慢下降區；有氧供能在運動開始時也迅速增加，但增加的速度遠遠小於磷酸原和糖酵解系統，30s時接近最高水平。

速度型運動員由於在磷酸原和糖酵解供能系統方面的優勢，在運動開始的前30s內能量的總供應量大於耐力型運動員，但是，耐力型運動員憑藉 有氧供能的優勢在運動開始30s後能量總供應量大於速度型運動員。

綜上可知，人體運動的外在本質是動作，內在本質是能量代謝。運動訓練的目的之一在於改善人體的動作，以提高動作的靈活性和穩定性，提高能量利用的效率，並減小運動訓練過程中傷病出現的機率。

運動訓練的目的之二在於發展人體的能量代謝能力，使人體運動過程中能夠產生更多的能量。運動訓練理論中所對應的力量、耐力和速度都是對人體運動外在本質和內在本質的描述，力量是肌肉高強度、短時間做功的能力，速度是肌肉中高強度、中短時間做功的能力，而耐力是肌肉中低強度、中長時間做功的能力。力量、速度和耐力都是能量供應下動作的不同重複方式，力量是磷酸原供能為主的動作的最大(或大)強度、少次數的重複，速度是磷酸原和糖酵解供能為主的動作的中高強度、中少次數的重複，耐力是糖酵解和有氧供能為主的動作的中低強度、中多次數的重複(圖7)。

對我國運動訓練過程中存在問題的分析

我國競技體育整體表現為體能主導類項目的普遍低迷和技能主導類項目優於少數幾個項目，造成這種局面的原因包括生物學理論基礎薄弱、對專項特徵認識不 足、專項能力訓練錯位、體能類項目技術不足、訓練質量不高、盲目提高訓練強度等 。

這些原因歸根結底，是缺乏對人體運動本質的認識。動作和能量代謝特徵是專項運動最基本的兩個特徵，片面地從動作或能量代謝的角度來認識一個運動項目只會帶來對專項特徵認識的不足。並且，運動訓練的從業人員對動作或能量代謝的認識往往浮於表象，如靜水皮划艇表面看來是一個上半身為主的運動，但是，通過與國外運動員進行比較發現，軀幹部位肌肉(背闊肌)利用不夠是造成我國運動員與國外運動員差距的主要原因之一。另外，靜水皮划艇500m 比賽後的血乳酸>10mM，但是，約2min的全力划過程中有氧供能比例卻高達59.6%之多。造成專項能力訓練錯位的原因，在於運動員的縱向培養過程中沒有處理好動作和能量代謝的關係。

能量代謝是以動作為載體的，不存在單一肌肉的力量、速度和耐力，而只有某一動作的力量、速度和耐力，如果沒有優先發展動作的靈活性和穩定性，過早地讓運動員以錯誤的動作進行力量、速度和耐力的訓練，就會造成運動員專項技術差、傷病多。我國體能類項目技術不足可能也是由此造成的。

造成訓練質量不高的原因不是訓練強度不夠，而是對專項運動的動作特徵認識不夠或要求不嚴。例如，專項運動的動作往往是多肌肉參與的多關節多維的非對稱性發力，需要身體整體穩定前提下的局部發力，近端穩定前提下的遠端發力，而力量訓練過程中卻只採用單關節單維的對稱性發力，對身體的穩定性也沒有做出要求。我國運動訓練中存在的一般力量與專項力量脫節問題也可能是由此造成的。我國運動訓練過程中盲目提高訓練強度的理論根源於「超量恢復」，而超量恢復理論的提出本身就缺乏生物學基礎。

發展不同供能系統的負荷量和強度不一樣(圖5)，發展磷酸原供能系統的最大運動時間需<10s，發展糖酵解供能系統的最大運動時間為10~60s，而發展有氧供能系統則需要以低強度持續運動為主。缺乏對不同訓練方法手段能量代謝特徵的認識，容易帶來運動訓練過程中無氧訓練負荷量過多、無氧訓練負荷過早以及有氧訓練負荷強度過高等問題。

對「體能」概念的審視

在我國運動訓練理論和實踐過程中，「體能」是一個被過度使用卻依然模糊的概念。

我國運動訓練理論和實踐過程中對體能的關注程度很大程度上是受項群訓練理論的影響，項群訓練理論對運動項目體能主導和技能主導的劃分，將體能這一概念突顯出來。儘管體能包括形態、機能和素質。但是，在運動訓練過程中卻主要涉及的是素質，包括力量、耐力、速度、柔韌、協調和靈敏 。

北京奧運周期後，體能訓練領域出現了一個新的熱點———核心力量訓練。對中國期刊網「核心力量」相關文獻的搜索表明，相關文獻在2008年後急劇增加。國內運動訓練實踐過程中一度出現「談體能必談力量，談力量必談核心力量」的現象，核心力量與傳統力量的關係也成為訓練實踐過程中爭議的話題之一。

造成這一現象的原因之一，是對人體運動本質認識的局限。以往體能訓練關注的主要是不同負荷對肌肉和神經的生理學刺激效果，而較少關注柔韌、協調和靈敏的訓練。核心力量訓練(以及功能訓練)在國內出現後，提出了動作這一概念，強調動作的靈活性和穩定性，強調在柔韌、協調和靈敏的基礎上發展力量、速度和耐力。

正是以往體能訓練對柔韌、協調和靈敏的忽視，以及核心力量訓練和功能訓練出現後對其理解的片面，造成了二者的對立立。而本質上，核心力量訓練和功能訓練的精髓在於其吸收了物理治療領域對「動作」的認識，強度無傷化和有效性發展力量、速度和耐力。

但不足的是，吸收了動作這一概念後的體能訓練仍然存在對體能訓練生理學反應的忽視。這一點集中體現在「力量耐力」這一概念上。眾多持續時間為20s~10min的運動項目都被認為是力量耐力型項目，而發展力量耐力相應的體能訓練方法則是以專項運動持續時間進行力量訓練 [如賽艇進行200次(約為6min)的卧拉]。然而，對人體運動的能量代謝研究表明，>75s的全力運動都是以有氧供能為主(圖5)，即決定所謂的力量耐力的是有氧能力。對力量耐力認識的誤區是我國力量耐力型運動項目落後的重要原因之一。

開元小結

人體運動的外在本質是動作，內在本質是能量代謝，力量、速度和耐力都是能量供應下動作的不同重複方式。

運動訓練的目的之一在於改善人體的動作，以提高動作的靈活性和穩定性，提高能量利用的效率，並減小運動訓練過程中傷病出現的機率。

運動訓練的目的之二在於發展人體的能量代謝能力，使人體運動過程中能夠產生更多的能量。運動訓練理論中所對應的力量、耐力和速度都是對人體運動外在本質和內在本質的描述，力量是肌肉高強度、短時間做功的能力，速度是肌肉中高強度、中短時間做功的能力，而耐力是肌肉中低強度、中長時間做功的能力。

總而言之，運動訓練的目的是以動作為載體，注重動作的靈活性和穩定性，無傷化和有效性發展三大供能系統供應能量的能力和動作技術利用能量的能力。

希望以上的結論能對大家的日常訓練安排有所啟發。

論文作者：黎涌明

德國萊比錫大學體育科學專業博士

上海體育學院副教授，博士研究生導師

研究方向為人體運動的動作和能量代謝特徵、訓練監控與評價，體能訓練。