運動生理學

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運動生理學

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<>運動生理學</P>
<>運動與能源</P>
運動與能源

　　ATP 是一種即時可用的「能」之來源，從運動生理學觀點，人類計有三個管道，支持運動的進行。此三個管道為磷化物系統、乳酸系統及有氧系統。

　　磷化物系統提供瞬發動作所需的「能」，僅能維持激烈運動數秒。此系統主要以磷化物作為運動時的能量來源，不以糖類無氧分解產生能量，因此乳酸的堆積量相當有限。

　　乳酸系統是糖類在無氧介入的情況下，分解成乳酸，同時產生少量ATP 的能量提供系統，此系統因最終之代謝產物為乳酸而得名。此系統雖然能量產生效率不十分理想，但至少提供人類在沒有氧氣介入的情況下維繫生命，或是完成數十秒乃至二、三分鐘之短而激烈的運動。

　　乳酸的堆積並不是造成運動後肌肉酸痛的原因。運動後乳酸的排除，可能有隨尿或汗排出體外。轉化成葡萄糖或肝醣，轉化成蛋白質與氧化成二氧化碳與水。

　　有氧系統可經由糖類、脂肪或蛋白質等三個有氧分解的管道提供ATP 。能量完全來自糖類時，呼吸交換率為 1.0，完全來自脂肪時, 呼吸交換率下降成 0.7。

　　運動後過攝氧量(EPOC)是指運動者恢復期，高過同時間安靜水準的氧攝取量，早期稱為「氧債」。

　　由能量系統的概念，得知運動強度是影響運動中使用能量代謝系統的主要因素。因此在訓練的應用上，磷化物系統的項目，以肌肉力量與肌耐力訓練最為重要；有氧系統的項目，以心肺耐力的鍛鍊為主；乳酸系統的項目，則應兼顧有氧與無氧系統的訓練。

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運動與呼吸

　　呼吸是氣體的交換，氣體交換的主要機轉是擴散。進行氣體交換的位置，一在肺泡中，稱為肺呼吸的氣體交換；一在組織中，稱為組織呼吸的氣體交換。呼吸的目的，是提供身體組織代謝必需的氧氣，同時將組織代謝產生的二氧化碳，經肺泡排出體外，協助身體酸鹼平衡的維持與控制。

　　肺泡是唯一可供氣體交換及氣體擴散的場所，人體肺臟可供擴散的表面積約 60-80平方公尺，相當半面網球場般的大小。影響肺泡換氣的因素，包括分壓、擴散路徑的距離、擴散面積、紅血球與血紅素量等。女性的肺擴散能量比男性稍低些；運動員比一般人有較大的肺擴散能量。肺擴散能量的增加是因訓練增加肺容量，提供更多肺泡與微血管的接觸面積。

　　呼吸肌的耗氧，安靜時僅佔身體安靜攝氧量的2%而已，至於運動中，最多可達運動攝氧量的 15%，恢復期呼吸耗氧約佔全身耗氧量的9-12% 。吸煙者，由於煙產生的一氧化碳，會導致呼吸時的空氣進出管道收縮，增加空氣進出呼吸管道的阻力，為了獲得足夠的氧氣，呼吸肌群必須額外的努力，以致消耗更多的氧氣。

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運動生理學的意義與發展


　　運動生理學(exercise physiology) 是運動科學相關學系，如體育學系、運動保健系、運動技術系、國術系以及舞蹈系等領域必修的一門學科，醫學院的復健醫學系或營養學系也會開運動生理學這門學科，因為指導患者學習如何運動，以及為運動者開出營養菜單，也需要運動生理學的知識。

　　運動生理學是研究人體運動當中有關變化、反應與長期運動訓練所產生適應現象的科學，主要的應用價值在於運動訓練，並且協助維持運動者的健康。

　　運動生理學研究的內容包括：
1.認識一般人體的生理。
2.運動時的生理反應。
3.長期訓練後的生理反應。
4.評價與分析體能。
5.擬定體能訓練處方。
6.運動者潛能。
7.特殊環境下運動的生理反應與對策。
8.運動者健康的維護。

　　強調「運動」、「最大運動」與「非最大運動」是運動生理學研究的三大特色。

　　運動生理學的發展，可追溯到十八世紀以前的古希臘羅馬時代，當時應用運動生理學知識於健康方面；十九世紀末至二十世紀初，奠定了運動生理學研究的基礎，二十世紀以來，歐、美、日各國爭相發展運動生理學，從理論的探討到實際的運用；從生理、生化、分子生物的研究到遺傳工程的探索，不一而足。

　　台灣有關運動生理學的研究，肇始於1970年國立台灣師範大學成立體育研究所碩士班之時，日前正穩定的進步發展中。

　　運動生理學家的任務包括:

1.在學術上或工業上，從事人類或動物肌肉活動有關反應 (responses)與適應(adaptations)的研究。
2.教授運動生理學、人類因素生理學、應用人類生理學、應用營養學或運動生 化學等。
3.幫助醫生或健康有關人員，以運動為研究手段，進行臨床復健或研究。
4.在青年會、健康俱樂部、事業或職場指導運動與體適能活動。
5.指導個人或競技運動員運動訓練計畫。

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運動與肌肉

　　人體約有400 塊大小不一的骨骼肌，約佔體重的36-40%。肌肉可區分為骨骼肌、心臟肌與內臟肌。

　　骨骼肌依生化功能特性，可分 I型 (紅肌或慢縮肌纖維) 與II型 (白肌或快縮肌纖維) ，其中II型肌纖維又可分為 IIa與 IIb兩類。三種不同類型的肌纖維，產生張力的大小與時間不同。

　　一般坐式生活的人，慢縮肌纖維的比率約47-53%。不同運動項目的運動員，擁有不同比率的紅白肌纖維。這是因為不同運動項目，在體能、生理、生化學上的需求，互不相同之故。

　　肌肉收縮的型式可分靜性收縮與動性收縮兩類，其中動性收縮有可分向心收縮、離心收縮、等速收縮與增強式收縮等型式。

　　影響肌力與肌耐力的因素有肌纖維類型比率、肌肉橫斷面積、微血管密度、中樞神經的控制、肌肉收縮前的長度、肌肉收縮速度、肌肉溫度、年齡、性別與最大肌力比等。

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身體組成與體重控制

　　人體體重分脂肪重與非脂肪重，男子必須脂肪重是體重的3%，女子是體重的 12%。淨體重是指身體內維持健康所必須的最低身體重量，由體重減儲存脂肪量而得，是減重時的最佳考慮指標。

　　人體內有脂肪儲存酉每，關係著脂肪堆積的部位。女性臀、大腿與胸等部位，男性的腹部脂肪細胞產生比較多的脂蛋白解脂酉每，男女兩性的這些部位分別會堆積大量的脂肪。蘋果型身材者，血糖、血中三酸甘油脂水準高，有較高高血壓邏患率，較容易得糖尿病，死於心臟病，此體型女性同時容易邏患乳癌與子宮癌。

　　體脂肪增加對健康與運動會有不利的效果，然而非脂肪重的增加，卻對生活活力、預防疾病與運動能力有正面的效果。男子平均體脂肪百分比約為 15%，女子約為 25%，當男子體脂肪百分比高於 20%，女子高於 30%，稱之為肥胖。

　　體中的增加或減少，取決於飲食攝取與消耗的正負平衡。除此之外，運動與否，除體重外，卻會影響身體組成，導致身體內部份的改變。

　　實施體重控制者，為維持身體內水分。紅血球、礦物質、肝醣、蛋白質量，減重的幅度應以每週一公斤為度。

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攝氧量的生理學基礎

　　攝氧量、耗氧量與需氧量三者稍有不同。攝氧量指外呼吸進入血液的氧攝取量，耗氧量是在內呼吸過程，有血液進入組織的氧量，而需氧量則為執行運動所需的氧量。最大攝氧量是指一個人在海平面上，從事最激烈的運動下，組織細胞所能消耗或利用的氧之最高值，是目前評價個人有氧作業能量，心肺耐力或心肺功能的最佳單一指標。決定最大攝氧量的因素包括：肺換氣量、最大心輸出量與動靜脈血含氧差。

　　攝氧量的測量分為實測法與預估法兩類。實測法是使用道格拉斯袋採集呼氣，測量一定時間內，呼氣與吸氣的含氧差額，配合二氧化碳的分析，所得的每分鐘攝氧量的測量值。預估法是利用跑步或踩車等運動，配合其他生理學(如心跳率)指標，間接預估之法。

　　最大攝氧量可利用有氧運動訓練而獲得增加，其進步的幅度約10至20% 。進步幅度除受訓練方法的影響外，也與訓練前的水準有關；訓練前體能水準差的人，訓練後進步的幅度大，體能水準優的人，進步的空間較少。

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從生理學談運動疲勞

　　疲勞是有機體的生理過程，無法維持在一定水準上運作，各器官也不能保持固定的工作能力，其結果是造成作業能力下降的現象。發生疲勞的原因有能源物質的耗盡、代謝產物在肌肉內堆積、氧氣不足、身體內部環境穩定性失調或破壞、體力或腦力的疲勞等不同的解釋。

　　疲勞從不同的角度，有不同的分類，包括有：
@ 神經疲勞：又稱心理疲勞，肇因於大腦方面的心理緊張或壓力。
@ 身體疲勞：就是肉體疲勞。
@ 中樞疲勞：中樞神經系統機能減低引起的疲勞。
@ 末梢疲勞：起於運動神經纖維、肌肉內突觸、肌纖維與肌感覺器的疲勞。
@ 急性疲勞：一次肌肉作業後發生的疲勞。
@ 慢性疲勞：長時間精神或身體疲勞的累積。
@ 局部疲勞：發生在身體局部位置的疲勞。
@ 全身疲勞：全身性運動的疲勞現象。

　　運動疲勞是運動的結果造成運動能力的下降，有關運動疲勞的因素有能量儲存的消耗、運動強度、運動時間與心理干擾、評量疲勞的方法有血壓體位反射、閃光頻率融合、唾液PH值變化與站立測驗等方法。然而，最簡單的方法是測量運動能力本身。

　　克服疲勞之道，在於消除疲勞與恢復體能的措施，攝取抗疲勞物質，正確採取減少肌肉作業疲勞的有效方法。

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運動與循環

　　循環系統主要由心臟與血管組成，功能包括：1.氧自肺送至組織，二氧化碳從組織送至肺，排出體外；2.腸胃吸收的養分輸送至組織；3.代謝產物送至腎臟；4.調節身體溫度；5.運送激素等以調節細胞功能。

　　心輸出量的多少，反映出身體代謝的水準，心輸出量與運動強度呈正比，可由每次心跳送出的血液量，乘以每分鐘的心跳數而得。安靜時每分鐘約有5至8公升的心輸出量，激烈運動時，心輸出量可提昇至每分鐘20公升左右。

　　運動時體內的代謝水準，比平時增加數倍至十數倍之多，這些增加的代謝水準，必須有足夠的血液循環，輸送足夠的血流，攜帶足夠的氧量，才能迎合組織的需要。運動訓練對於循環系統的效果，包括：增加心體積與每跳輸出量、增加動靜脈血含氧差、降低安靜與非最大運動時的心跳率、增加最大心輸出量、增加單位面積微血管的數目、增加血量與紅血球數等。

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運動與婦女生理

　　女性身體特有的月經週期與懷孕階段，都會相當程度地影響女性參與運動的程度與運動表現。

　　女子一生可分成六個階段，新生兒期、幼女期、青春期、生育期、更年期和老年期等，和男子較大的差距開始於青春期。

　　女性的生育期為卵巢功能及性激素分泌最旺盛時期，一般始自18歲，持續30年左右。更年期平均為50歲，是邁向老年期的過度時期，卵巢功能逐漸衰退，於是停經。60歲以後卵巢功能消失，生殖器官萎縮，內分泌功能逐漸衰退，而進入老年期。

　　女子運動時的生理反應基本上與男子相同，唯討論運動的生理反應時，不得忽略運動者本身的體重因素。男女運動員最大攝氧量的差距，與女子較高的體脂肪有關。如將脂肪因素除掉，男女在有氧運動能力的性別差異僅在 1-10%之間而已。

　　無氧運動能力方面，由於無氧運動能量關鍵在於肌肉量，因此這方面的能力男子遠大於女子。

　　男女肌力的差異，主要來自於男子睪固酮的合成效果，而且上肢之差異與大於下肢，除去體重的影響因素，男女在肌力上的差異約 20%。

　　身體組成方面，由於脂肪在運動過程中，對於運動能力的表現，不但沒有貢獻，反而增加身體在運動時的載重負擔，同時脂肪堆積的部位(胸、肩、臀與大腿)，也與男性有些許差異。

　　耐熱能力方面，以相同最大攝氧量的運動強度下運動的觀察結果，男女兩性在熱環境下運動的耐熱能力彼此不相上下。

　　女性易出現運動性貧血，這種貧血屬於假性的的貧血，是長期耐力訓練結果，藉以減少血流阻力的一種血液適應，對耐力性運動員的運動表現，不會有不良的影響。

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運動與環境溫度

　　人體體溫反應身體的熱平衡狀態，一旦平衡受到破壞，體溫必定改變，因此要維持體溫的恆定，必須先在熱的獲得與散熱間取得平衡。人體的主要生熱來源是基礎代謝、肌肉活動(運動)、激素、食物的生熱反應、姿勢變化與環境等；熱的散熱方式則包括傳導、對流、輻射及蒸發等四種。

　　人體在熱環境下運動，心肺系統要更加賣力，將肌肉產生的熱，藉由循環系統傳到皮膚表面，以便散熱體外。因此任何一個會造成心肺系統過度負擔或干擾散熱的因素，都會嚴重的破壞運動表現，增加熱傷害的機會。

　　在熱環境下運動，除了會使體溫上升、心跳加速外，還會使耗氧量上升、活動肌群使用肝醣量增加，並且產生更多的乳酸，以致需氧量增加。當環境溫度接近甚至超過皮膚及身體內部溫度時，蒸發散熱便遠較輻射、傳導、對流來得重要。運動中之蒸發散熱就是流汗，而熱適應主要是在排汗的機轉及血流方面的調整。

　　環境溫度並非是造成熱病的唯一因素，必須同時考量的幾個影響因子，包括：環境溫度、濕度、風速與輻射量。過度暴露於熱環境下，不但使作業(運動)能力降低，同時也會引起熱痙攣、熱衰竭與中暑等熱傷害。

　　在冷環境下，身體核心溫度可能降低到正常的下限 (36度C)以下。這時身體會開始寒顫，增加身體產熱量，此時協調能力受損，語言與思維能力接著受到影響。當體溫下降至32度C 以下，寒顫減弱，並有行動不穩，語無倫次現象。在30度C 以下的低溫時，體溫調節失調，肌肉開始僵硬，呈半昏迷狀態。

　　風冷指數是冬天從事野外活動對環境安全的重要參考指標，活動者應將風力對溫度感覺的影響，在活動前審慎的評估，以減少寒害發生。



熱環境下運動

　　運動熱病死亡事件發生的氣候包括：高溫低相對濕度與低溫高相對濕度兩種情況。

　　不在運動訓練過程中喝水，祇攝取食鹽片，最可能發生熱病。

　　運動員流汗率受到下列因素的影響：運動的強度。·環境的情況。&cedil;運動員的體能。&sup1;運動員是否能適應熱環境。&ordm;穿著的服裝式樣和數量。

　　流汗的基本概念：汗水的張力低於血液，它所含的水多於鹽。·一個人失水過多，則細胞外液的張力將大於細胞內液。&cedil;細胞內的水將會流向細胞外，以保持滲透壓的平衡。&sup1;血液內的水分流失，血中將存有高濃度的電解質。&ordm;水分喪失過多，流汗的機轉將停止。導致體溫上升。&raquo;血中的高電解質將會干擾心臟的正常節律。

1.熱平衡

　　熱的散發：對流、傳導、輻射與蒸發。運動時，體熱的散發主要靠皮膚排汗來蒸發，每一克的汗水蒸發，可以散熱大約0.58卡的熱。如果熱不散發，人體體溫可能在一小時內上升1.5℃。

　　熱能的單位卡（小卡）。身體組織的比熱為0.83Kcal/kg/℃，若一個人的體重為70公斤，則必須儲存58大卡的熱才能增加體溫1℃。在R=0.82時，一升氧的消耗可產生4.83大卡的熱。因此安靜時代謝的熱產生大約每分鐘為1.45大卡(0.3L*4.83kcal/LO2)或87kcal/hr。如果熱不散發，體溫可能在一小時內上升1.5℃。假設運動員從事平均每分鐘2L耗氧量的活動達1小時，如果熱不散發，體溫可能上升8.7℃。

2.體溫的調節

　　體溫調節系統：在於維持穩定的內部體溫，安靜時的37℃體溫稱為對照溫度(reference temperature)。依賴下列要項來執行其功能：溫度受納器或感受器、刺激致使反應器或器官發生調節或矯正，以及有關中樞協調受納器傳來的訊息及反應器產生的調節動作。

　　人體的溫度的受納器至少有二，一個在腦的視丘下部（中樞受納器），感受流經腦部的動脈血液溫度變動（華氏0.2-0.5度內的變化）；一個為皮膚（末梢受納器）。兩個受納器皆包括兩種形式的感官器(sensors)，一個感受熱，一個感受冷，感受環境溫度的變動。中樞與末梢受納器都連結皮質和視丘下部的溫度調節中樞，產生隨意的與反射的調節動作。

　　溫度調節反應器包括骨骼肌、平滑肌、輸送血液到達皮膚的動脈、汗腺、甲狀腺、腎上腺素和副腎上腺素。視丘下部的溫度調節中樞是以對照溫度為主要的溫度調節基準，對照溫度則會受到末梢受納器的調節，在熱環境對照溫度下降，在冷環境對照溫度上升。

3.熱環境下運動與熱病的發生

　　運動時主要的散熱方法：皮膚血管擴張以增加皮膚血流量，從事循環的調整。增加汗腺分泌以蒸發的方式冷卻皮膚。人體內部主要的體熱來源是肝臟與骨骼肌。

　　在熱環境的運動情況下，在最初的30分鐘左右直腸溫增加至一定的水準，然後維持此值直至運動結束；皮膚的溫度則會因為對流和蒸發所產生的冷卻效果而些微下降，而且一直持續下降到運動結束。這種體內與皮膚的溫度梯度增加現象，有助於體熱的排除。長時間運動，很少會形成體內溫度或直腸溫度的過度增加，在此環境下幾乎所有代謝產生的熱皆可以輕易地由循環和催汗運動來調節。

　　在熱環境長時間運動，因為環境溫度與皮膚以及皮膚與體內溫差的下降，造成身體散熱時的阻力提高。濕度增加時，以因為汗水蒸發時的阻力提高而增加蒸發散熱機轉的障礙。長時間運動，身體必須循環更多的血液和分泌更多的汗水，以便排除身體產生的多量

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高地運動生理學

　　高地環境對於人體生理的主要影響，肺功能方面有肺換氣量增加與最大攝氧量下降；心功能方面有心跳率增加、每跳輸出量降低、心輸出量降低；肌肉結構與代謝的變化有氧化酉每活性、微血管密度、肌紅蛋白、乳酸緩衝能量；血液化學方面有氧分壓下降、血漿量下降、紅血球與血紅素比減少、紅血球生成素增加、以及 2,3-DPG結合能力增加。

　　高地環境使短時間、高強度的運動項目成績顯著提昇，原因在於這些項目需要克服的空氣阻力在高地上下降。而在高地環境，空氣稀薄、阻力小，有利這類成績的提昇，但是對於耐力性項目的成績則會有不良影響。

　　雖然在高地環境滯留幾天或數週，身體會逐漸的適應空氣中的低氧壓力，但也無法完全和在平地一樣。然而經過長時間的高地適應，卻會在血液、肌肉及心肺系統方面發生適應性的改變。

　　高地環境的缺氧引起紅血球生成素的釋放、刺激紅血球的生成、平均血比容遠遠超過住在平地的人。

　　肌肉結構及代謝上的變化方面，微血管密度增高，以便輸送更多的血液及氧氣，慢縮機纖維及快縮機纖維橫斷面積減少，降低肌肉的代謝能力等。

　　心肺系統的變化方面，肺換氣量在安靜及運動中均明顯增加，然而，如此過度換氣會造成血液鹼性化，為了避免血液變成不正常的鹼性，在初上高地的前幾天，血中重碳酸鹽的量會迅速降低。隨著高地適應的進展，最大攝氧量也會逐漸恢復，經過數週後，會比剛到達高地時高。

　　長期滯留高地，經常因發生食慾降低，會出現體重減輕的現象。


高地運動


　　在5000呎以上的高地，高度每升高1000呎，最大攝氧量就會減少3-3.5％。

　　滯留在高地的時間越長，運動成績更會改善，但不可能達到在海平面上所締造的成績。一般來說，適應的天數會受到高度的影響，例如：9000呎大約7-10天；12000呎大約15-21天；15000呎大約21-25天；而且個別差異有很大的差異。有一些人在高地上根本無法適應，持續地出現高山病。高山病的症狀是作嘔、嘔吐、頭痛、頻脈、胃口減退。緊急處理時包括吸氧或移至較低的高地，並盡快接受醫生的照顧。

　　高地空氣的氧百分比雖仍為20.93％，但每單位容量的氧分子減少。這種氧壓低的現象會產生低氧症(hypoxia)。長期停留於高地低氧下的身體生理適應：增加肺換氣（過度換氣）、增加紅血球數和血紅素濃度、尿中碳酸離子減少、組織肌肉的微血管開放數增加、增加肌肉蛋白量、增加粒線體密度、藉酵素的變化以加強氧化能量。這些變化的主要功能在於氧氣不足時協助氧輸送至組織。當一個在高地停留3-4週的人回到平地後，在2-4週間將會喪失這些得自於適應的變化。訓練者對於高地的適應並不比非訓練者快或好。在海平面能力佔優勢的隊或運動員，在高地上也同樣地居於領先之地位。

　　在高地進行運動測驗時，可以發現運動的時間越長，成績退步越嚴重，也就是以氧系統為主要能量路徑的項目退步較多。而且，不管是剛到高地或長久居住高山的人，退步的現象都是相同的。

　　經過高地訓練後回到平地，運動員的成績並不因為在高地訓練過而改善。三週的高地訓練對於在高地從事激烈運動的能力有顯著的改善，但是，不可能到達海平面所表現的水準。訓練的分量會因高地條件的影響而大大地減少。高地的效果或訓練的效果，是高地訓練效果難以讓人確認的主要原因。

　　如果教練基於某些理由必須在高地訓練：
a.適當的訓練裝置和適當的大氣壓力。
b.中等高度(6500-7500呎)上先逗留一段時間。
c.平時訓練期即應考慮到漸進中等高度的適應。
d.的高地訓練應限於2-4週，並在海平面和較低的高度間交互實施，以保持肌肉動力和正常的競賽韻律和努力的強度。
e.上的訓練應著重於肌肉動力之維持，並正常地增加作業量。
f.上的任何重要比賽應使其在離開高地兩週內舉行。

　　最新最有效的高地訓練法是：Living High, Training Low