冷環境與運動能力的生化分析

翁錫全, 王朝格, 林寶璇

(廣州體育學院,廣東 廣州 510500)

星移斗轉,天氣變冷是一種自然現象,也是開展體育運動經常遇到的環境氣象條件,某些體育項目甚至必須依賴冷環境才能開展。一般來說,體育運動中的冷環境是指陸上溫度低于12 ℃的運動環境,當然冬季項目的運動環境溫度可能會更低。冷環境下運動,機體會產生一系列與常溫、高溫環境不同的生理生化變化,特別是運動時機體的物質和能源代謝情況會有很大差異,以應對冷環境下能量消耗的增加[1]。第24屆冬奧會將于2022年在北京舉行,探討冷環境下運動機體體溫調節、物質能量代謝的特點,減少寒冷應激對運動能力表現的影響,對教練員和運動員具有十分重要的意義。由于人體對冷環境的應激不如適應高溫的能力強,因此冷環境下運動員的運動能力表現歷來受到教練員和科研人員的高度重視。以下從生化角度分析冷環境與運動能力的關系。

1 冷環境下運動身體反應與體溫調節

冷環境下,機體對流散熱增加,如遇上強氣流的作用,更加速對流散熱并降低服裝的隔熱性,能量消耗增加,引起機體散熱與產熱失衡,導致體溫下降,影響肌肉張力,增加凍傷發生的可能。為應對體溫下降,機體通過生理和代謝反應減少散熱,激活以增加產熱為主的體溫調節系統,保持核心體溫的相對穩定。

靜息狀態下,人體對冷應激的最早反應是通過皮膚冷覺感受器反射,引起皮下血管收縮減少向體外散熱。當基礎代謝的產熱不能維持體溫,同時血管運動的調節不能彌補寒冷引起的散熱時,機體通過寒顫(ST)和非寒顫(NST) 2種形式增加產熱。所謂ST是指在冷環境下骨骼肌發生自主、非同步的收縮產生的能量大部分轉變成熱量的現象;而NST是非骨骼肌組織未做機械功情況下代謝產生熱量。在冷環境下,骨骼肌寒顫性產熱最高可達基礎代謝的5倍,而在常溫運動過程中,肌肉收縮可使機體代謝率增加15～20倍[2]。因此,在冷環境下運動時由于機體能量代謝速率的提高,運動可部分或全部取代寒顫性的產熱。但是,由于運動時機體骨骼肌血管舒張,導致外周血流增多,促進散熱,降低了身體對寒冷的絕緣能力,進一步增加熱量消耗。這一點可能是不同程度低溫環境影響核心體溫調節而導致運動能力表現差異的關鍵所在。在冷環境溫度不太低(如11 ℃)的情況下,由于運動加速血液流向外周,增加了散熱,這時反而可有效避免運動能量代謝增強引起的核心體溫過高[3]。相反,如果冷環境溫度過低(0 ℃以下),則使熱量大量流失而引起核心體溫下降,這種情況常常在冬季項目或冷水中運動及陸上服裝保溫不良的運動中出現。

當然,長期在低溫環境下進行運動訓練,一方面可提高機體基礎代謝,使骨骼肌寒顫閾值升高,并使NST產熱增加;另一方面,可改善機體體溫調節的感受性,增強耐寒能力。其調節機制可能與甲狀腺素分泌增加,交感—腎上腺系統活動增加,以及降低身體各組織的某些低效代謝反應和白色脂肪棕色化等有關[4]。

2 冷環境下運動機體物質能量代謝特征

人體冷環境下靜息時基本依賴寒顫這種方式獲得熱量,由于ATP、CP在骨骼肌中儲量少,因此,寒顫期間肌肉收縮需要依靠糖、脂肪、蛋白質等的氧化維持能量供應,此時耗氧量增加。而這些能源物質儲量和代謝效率不一樣,為維持寒顫期間ATP再合成和產熱,需要在適當的時間以適宜的速度從肌內儲備或通過循環從其他組織向寒顫的肌肉提供這些底物。糖、脂肪和蛋白質的供能順序和比例與冷刺激強度、時間和能源物質供給有關。在冷暴露期間,從能源物質儲量獲取和代謝方式分析,溫度越低,肌糖原和血糖越是首選。當糖原儲備量正常的機體暴露在冷環境時,糖類能提供所需全部熱量的20%～80%,其中,肌糖原占75%～80%,血糖占20%～25%。但是,在極端寒冷環境下,血糖具有更高的代謝率,發揮更強的耐寒作用。當機體血糖水平過低(<2.5 mmol/L)時則會加速核心體溫的下降[5]。因為冷刺激增加了胰島素和葡萄糖向組織輸送,引起組織對葡萄糖的攝取增加,血液循環中葡萄糖減少,影響骨骼肌寒顫時糖的氧化產熱,導致核心體溫下降。如冷環境溫度不太低引起低強度顫抖時,動用的脂肪增加。當糖原儲量減少時,脂肪和蛋白質增加氧化速率以維持產熱。當然,除骨骼肌寒顫性產熱外,棕色脂肪組織非寒顫性產熱也對總產熱率有顯著作用。這是人們利用適宜冷環境進行減肥的理論基礎。

冷環境下運動可引起體內蛋白質代謝增加,但相對于糖的利用而言,其代謝供能量的增加幅度有限[8]。

3 冷環境下運動表現與應對措施

運動能力表現與環境溫度的變化有密切關系,不同環境溫度對運動員的生理機能有不同影響,運動能力也會隨之發生改變。在溫度過低環境下(<0 ℃)運動,一方面低溫導致肌纖維粘滯性加大,骨骼肌興奮性及協調性下降,肌肉僵硬,關節靈活性減弱,容易發生肌肉和肌腱撕裂、抽筋,增加運動損傷的風險。另一方面,低溫加劇人體外周血管收縮和外周血流量降低等生理反應,影響骨骼肌的收縮功能,降低肌肉最大張力,從而削弱其高強度運動能力。這一點也可從低溫環境下運動前被動加溫降低主觀性工作強度,提高高強度運動成績得到證明。此外,由于低溫加速了白色脂肪棕色化作用,引起非寒顫性產熱增加,再加上運動對氧的消耗增加,呼吸交換比率加快,這時低溫空氣更易造成呼吸道感染。同時,由于體溫降低導致某些酶活性下降,進一步影響骨骼肌代謝供能的能力。低溫刺激使交感神經興奮和腎上腺素分泌增多,外周血管收縮,血容積減少,造成尿量增加,以及運動時排汗等造成機體脫水,影響機體運動能力的表現。

在適宜低溫環境(10 ℃左右)下運動,則能提高運動表現。因為低溫環境可抵消運動時產生的熱量,使運動員的核心體溫降低,增加最大輸出功率,延長運動時間,提高運動耐力能力。同時,在適宜低溫環境下進行耐力訓練,可改善運動員體溫調節的感受性和產熱反應能力,有效提高機體的耐寒能力。適宜低溫提高運動耐力的原理也應用于高溫環境運動前的預冷處理。高溫時,通過適當降溫的方法如全身或四肢冷水浸泡、面部噴灑冷水、呼吸冷氣或飲用冰水等增加熱量消耗,可有效降低運動員比賽期間的核心體溫,提高其耐力水平。

冷環境引起機體生理和代謝反應,因此,訓練和比賽前應針對性地做好應對措施。一是注意穿著薄厚適宜,最好是棉質服裝,在不影響運動的同時注意保暖,以防凍傷。二是做好充分的準備活動或被動加溫,提高體溫,改善肌肉和關節的活動能力,防止運動損傷。三是運動時盡量使用鼻子呼吸,減少冷空氣對咽喉、呼吸道的刺激,避免上呼吸道感染。另外,根據低溫環境機體的代謝特點,長時間運動或訓練時,應給運動員補充充足的能源物質,如糖和氨基酸,同時保證充足的水及維生素攝入。此外,在熱帶或溫帶生活、訓練的運動員,如要到冷環境的異地比賽,賽前盡可能早地進行冷習服,使運動員更好地適應冷環境下運動。

4 小結

冷環境是運動訓練、比賽中經常遇到的一種天氣現象,不同溫度冷環境引起機體生理和代謝反應不一樣,但都圍繞維持體溫和滿足運動時骨骼肌能量需求進行調節。溫度越低,對運動表現的影響越大,而適宜的低溫,則可提升運動員的運動表現。同時,隨溫度的降低或運動強度的增大,運動中糖的供能比例趨于增大,而脂肪氧化代謝供能比例呈下降趨勢。但是,經常在冷環境下訓練可促進脂代謝,增強脂肪組織非寒顫性產熱的能力,提高機體冷環境下大強度耐力運動的能力。為應對低溫對機體功能的影響,冷環境下訓練和比賽前應做好應對措施。