力量训练的生物学基础和训练原则

王安利，刘冬森

（北京体育大学运动康复系，北京 100084）

力量训练的生物学基础和训练原则

王安利，刘冬森

（北京体育大学运动康复系，北京 100084）

“预防损伤的功能锻炼”系列文章（3）

运动人体科学

随着体育科学研究不断发展，生物学知识为运动训练的发展提供了微观领域的理论基础。基于近年来对力量训练的理论研究成果，分别从形态学、生理学、生物力学等学科角度对力量训练的生物学基础进行阐述。在此基础上，对科学合理的力量训练需要遵循的基本原则进行了探讨。通过阐述力量训练的生物学基础和基本原则，为读者更好地应用和指导力量训练打好基础。

力量训练；生物学基础；训练原则

在系列文章的上一篇文章中提到，力量素质是其它运动素质的基础，也是运动损伤预防与康复的基石。力量训练是体能训练的首要因素，是提高运动成绩最直接而有效的途径，是竞技运动中的重要手段与训练内容。要正确使用力量训练的方法与手段，指导力量训练的实践，应该首先了解力量素质的生物学基础，掌握力量训练的基本原则，才能保证训练质量，减少运动伤病，才能使力量训练更好地与专项结合，更好地为运动专项服务。

1 形态学和生理学基础

1.1 骨骼肌系统 每一块骨骼肌都是包含肌肉组织、结缔组织、神经及血管的器官（图1）。每块肌肉都被致密的深筋膜所包裹，深筋膜的深层是结构较为致密的肌外膜；肌外膜向肌腹内深入，把肌肉分为若干个部分，称为肌束；包绕肌束的膜结构为肌束膜，肌束膜深入肌束内包绕每一根肌纤维，膜结构称为肌内膜。肌内膜与肌纤维膜间有基底膜，肌纤维（肌内细胞）的增生、损伤的结构性修复等方面有着重要作用。

肌内膜、肌束膜和肌外膜的彼此延续，形成了肌器官内完整的框架膜结构系统，其中伴行血管、淋巴管和神经，除对骨骼肌具有支持、连接、营养和保护作用外，对肌纤维活动也起着调整作用。肌肉的膜结构系统，在肌肉的牵张与收缩中，承担着能量吸收、保护肌纤维和实施力传递等重要功能，是肌器官功能性实现的重要结构基础。随着训练承载负荷的影响，膜结构系统在其结构、功能上产生适应性变化。如运动训练可导致膜结构性增厚，抗张力能力加强等[1—2]。肌外膜、肌膜和肌内膜由肌腱相连，肌腱连接着骨膜，骨膜是覆盖在骨面的特殊组织。任何肌肉的收缩在肌膜和骨头上会产生拉力。四肢肌肉在骨头上有2个附着点：近端（靠近躯干）和远端（远离躯干）。躯干肌肉的2个附着点被称为上端（靠近头部）和下端（靠近脚部）。传统上，肌肉的起点被定义为近端或上端的肌肉附着点，止点被定义为远端的肌肉附着点[1,3]。肌肉的膜系统与腱结构是肌肉实施其功能的重要连接与保护成分，其结构性适应是肌肉力量发展的基础，功能性适应对肌肉力量的增强有重要意义，因此在力量训练中要重视膜系统与腱结构。

一块肌肉的力量取决于这块肌肉全部肌纤维力量的总和。肌肉生理横断面是横切肌肉所有肌纤维所得横切面的总和，肌肉生理横断面的大小等于横切肌纤维的线段总和与该块肌肉平均厚度的乘积，反映了该肌肉肌纤维的数量和粗细；而肌纤维数量越多、直径越粗，肌力就越大；故肌肉的生理横断面越大，肌肉力量就越大。肌肉生理横断面较大的肌肉会产生较大的等长收缩力量，相对力量也会增加。

新近研究表明，肌肉的绝对力量主要依赖于单根肌纤维的粗细而不是纤维的类型，即每单位横断面积的最大等长收缩力在快肌与慢肌中几乎是相同的。肌纤维类型与每单位横断面积之间只存在弱相关或完全没有相关[2]。肌纤维增粗的主要原因是肌球蛋白含量增加，除蛋白质、能源物质、毛细血管的数量增多外，同时伴随着肌肉中结缔组织的增多。肌肉结缔组织中的胶原纤维起着肌纤维附着框架的作用。锻炼能否增加肌肉纤维的数量，迄今为止尚无统一认识。动物实验的研究结果证明，通过训练可以使肌纤维分裂增生从而增加肌纤维的数量；多数学者认为，人的肌纤维的数量是由基因决定的，训练不能使其数量增加。

1.2 神经肌肉系统 1个运动神经元和它所控制的肌纤维的联合处称为运动终板，尽管单一运动神经有时控制几百条肌纤维，每个肌肉细胞只有1个神经肌肉接点。1个运动神经元与其控制的肌纤维被称为1个运动单位[1]。

骨骼肌纤维组成具有明显不同的形态和生理特性。根据颤动时间区分纤维，分为慢肌纤维和快肌纤维，1个运动单位由同一类型的肌纤维组成，因此，也可分为快肌运动单位和慢肌运动单位。

根据肌纤维ATP酶染色方法，一般将肌纤维分为I型，IIa型，IIb型。I型纤维直径较细，肌浆较多，肌红蛋白含量较多，线粒体数目较多，肌纤维无氧功率低，主要依靠有氧代谢产生的ATP供能；肌球蛋白ATP酶活性低，肌纤维收缩速度慢，收缩力量小，快速力量发展有限，但持续时间长，不易疲劳。II型纤维直径较粗，肌浆和肌红蛋白含量较少，线粒体数目也较少，肌纤维主要依靠无氧酵解产生的ATP供能，收缩速度快，收缩力量大，但持续时间短，易疲劳，主要是完成速度和爆发力的工作[1－2]。

强度低的运动主要是快肌纤维被动员，随着强度的增大，快肌纤维开始被动员；力量训练达到最大负荷的60% ～70%以上的快肌纤维将被动员。人体骨骼肌由不同类型的肌纤维混杂而成，在纤维的类型分布上有着较大的差异，这种差异不仅体现在个体之间，机体内不同的功能肌群之间也存在相当大的差异。以维持身体姿势为主的骨骼肌中慢肌纤维所占百分比较高，以动力性工作为主的骨骼肌中慢肌纤维所占百分比较低[1－2]。快、慢肌的比例因人而异，有较大的个体差异。这种比例是由基因决定的，可能在决定某项运动能力中起重要的作用。

在性别方面，女性慢肌纤维比男性多，女性爆发力比男性差。从骨骼肌代谢特征来看，男性肌肉中快肌纤维代谢占优势，这种现象可能与男性分泌更多的睾酮有关。在年龄方面，一般认为青少年时期肌纤维类型的百分比组成无太大差异，随着年龄增长，慢肌纤维百分比增加，快肌纤维百分比下降。快肌纤维的面积也随年龄增长而减小，而慢肌纤维面积基本保持不变[2]。肌纤维比例是遗传决定的，但运动可以干预某一类肌纤维优先发展。优先发展快肌还是优先发展慢肌是项目的内在需要决定的，要研究运动项目内在的规律性，当然也包括肌肉供能的规律。训练最重要的是要有针对性，要符合项目的规律和特点。对项目的规律和特点不了解，就无法科学地安排训练。训练方法的选择，运动量、运动强度的选择以及训练要实现的目标，取决于对项目规律的认识程度。

1个运动单位的所有肌纤维被运动神经激活后同时收缩，肌肉控制的程度取决于每个运动单位支配的肌纤维数量。不同运动单位的肌纤维相互混合在一起，这种交叉分布改善了一定的肌肉横截面内动员的肌纤维与毛细血管的数量比，利于长时间最大收缩时肌肉的能量供应。在运动过程中，运动单位的兴奋阈值不同，参与工作的先后顺序不同，慢肌运动单位的体积小，兴奋阈值低，易兴奋，先参与工作；随着负荷的增加，运动神经传出的信号强度增加，兴奋阈值较高、运动单位体积较大的白肌逐步动员参加工作。肌纤维征召活化的顺序是：I型肌纤维→IIa型肌纤维→IIb型肌纤维[4]。在肌肉自主性收缩过程中，运动单位募集是按照运动单位的大小，由小到大依次进行的。运动单位募集的有序性，表明了运动单位的动员依赖于负荷的增加，只有最大的负荷才能达到运动单位最大限度地动员。因此，大负荷的肌肉刺激是对肌肉神经控制训练的重要条件与措施[2,5]。

肌肉的输出功率由所需要的力量输出水平决定，肌肉的力量输出水平由运动单位频率变化或激活程度决定。中枢神经系统可以通过改变参与工作的运动单位数量和支配骨骼肌的运动神经元冲动发放频率（即运动单位动员的量和活化的同步性）来改变肌肉力量[1,5]。力量训练可以使运动中枢的机能得到改善，运动中枢能够产生强而集中的兴奋过程，发放同步的高频率兴奋冲动，募集更多的运动单位参与工作，并使运动单位激活的同步性进一步加强。

神经对肌肉的支配能力是决定力量的重要因素。经过训练的人，大约可动员80%、甚至90%以上的肌纤维来参加工作，没有经过训练的人只有40% ～50%、至多60%的肌纤维参加工作[1,5]。运动训练可以增加运动单位的募集而增加肌肉力量。此外，在神经系统的调节下可改善主动肌和拮抗肌、协作肌、支持肌间的相互协调关系。肌群间协调性的改善，是通过训练后人脑皮层运动中枢兴奋和抑制过程在时间和空间上更加集中的结果。人脑皮层机能灵活性的改善，即兴奋与抑制相互转换速度的提高，与爆发力的增强密切相关[6]。

1.3 循环系统和呼吸系统 循环系统的主要任务是运送营养物质和清除废物，同时维持身体机能内环境。实践证明，长时间的肌肉运动能力需要支撑系统，特别是心肺机能的支撑，同时力量训练也会对心血管功能产生影响。Dihogo等[7]分析研究了不同强度和不同恢复时间间隔的抗阻训练下的血流动力学反应，发现不同强度的训练会引起血压改变。Tucker等[8]通过流行病学研究得出，每周进行4～7 h的力量训练可降低高胆固醇血症的风险，高质量的力量训练与降低高胆固醇血症的风险密切相关。

呼吸系统的主要功能是进行氧气和二氧化碳的基本交换。力量训练时要注意瓦尔萨瓦尔现象，即进行较费力的活动时，机体会不自主的闭住呼吸，此时会厌软骨会盖住喉部以对抗压力。这种现象会造成胸腔压力急剧上升而阻断静脉环流、中断冠状动脉循环，降低脑部氧气供应量。在进行力量训练时，适当呼吸技巧的指导是非常重要的，一定要提醒运动者不能憋气，用力时需同时呼吸[4]。

2 生物化学基础

2.1 生物的能量系统 大分子营养素如碳水化合物、蛋白质和脂肪分解成小分子时伴随生物能量的释放，这是肌肉收缩的能量来源。三磷酸腺苷（ATP）将产生的能量储存在高能磷酸化学键中，释放供肌肉活动之用，如果没有充足的ATP，肌肉活动和生长则无法实现。

机体的肌细胞中存在3种基本供能系统：磷酸原供能系统、糖酵解供能系统、有氧氧化供能系统。磷酸原供能系统和糖酵解供能系统的第1部分属于无氧代谢，在肌细胞的细胞质内发生；柠檬酸循环、电子转运和有氧氧化供能系统则属于有氧代谢，在肌细胞内的线粒体中进行。碳水化合物、蛋白质和脂肪这3种基本营养物质中，只有碳水化合物是不需要氧气就能进行新陈代谢产生能量的，故碳水化合物在无氧代谢中是不可或缺的。3种能量代谢系统都在给定的时间内进行，每种能量代谢系统的作用程度首先取决于运动的强度，其次取决于运动的持续时间。

2.2 限制肌力的生物化学因素 运动中可利用的糖原储备是有限的，人体全部的肌肉里大约储存有300～400 g的糖原，肝脏里储存了70～100 g的糖原。糖原消耗率与运动强度有关。在中高强度运动中肌糖原是更为重要的能量来源，而在低强度运动中肝糖原更为重要，其重要性随着运动持续时间的增加而增加。糖原的消耗是主要有有氧代谢供能的长时间、低强度运动和无氧代谢供能的短时间、高强度运动2种限制因素[1,8]。力量训练后限制肌肉蛋白合成的主要因素是糖原，在力量训练时必须保证糖原的供给。肌糖原含量在一定程度上决定着力量耐力水平。从能量代谢角度上讲，发展力量素质的关键因素之一是提高肌肉中ATP、CP、肌糖原和蛋白质的含量及其代谢能力[9]。

进行不同项目的运动训练时，特定的运动强度和休息时间可以动员特定的能量系统。在肌力训练中可采用一系列高强度或恒定负荷练习，其间穿插一定的间歇，富有针对性地发展肌肉各代谢系统的供能能力。需要注意的是，有氧训练与无氧训练同时进行会有一定的干扰，会减少肌维度和最大肌力，对于速度、爆发力有关的运动项目有负面影响。在无氧运动项目中开展大量的有氧耐力训练以帮助机体恢复不是必须的，为无氧项目制定有氧训练计划时必须谨慎[1,10]。

3 生物力学基础

有效的力量训练以基本运动力学知识为基础，尤其体现在力增加速率（Rate of Force Development，RFD ) 、冲量、拉伸—收缩循环（Stretch-Shortening Cycle，SSC）、反应能力、快速力量和耐力以及它们在耐力和爆发力运动中的角色等方面[11]。发展力量素质的生物力学基础即技术因素，表现为运动员的协调性、运动技术、关节的活动范围、肌群之间的平衡等，是影响力量发挥的1个因素。

从生物力学的角度讲，力量是神经肌肉系统通过内部神经过程和能量代谢过程，以肌肉收缩来克服阻力或对抗阻力产生作用，或使物体保持一定状态上。马特维耶夫认为，力量是通过肌肉紧张克服阻碍行动的机械力和生物机械力并对抗它们，从而保障行动效果的能力（除重力、惯性力、外部环境的反作用力之外）[12]。肌肉力量的本质可以说是肌肉工作克服内、外负荷所表现出来的多样性机能[5]。

运动训练中涉及的肌肉大多借由杠杆系统发挥作用。杠杆是在力的作用下绕着1个支点转动的刚性结构或者部分刚性结构。肌肉使四肢绕着关节运动，大部分骨骼肌都以费力杠杆进行运动。在运动中，肌肉和肌腱产生的力远大于手足施加于外物或地面的力，承受内部压力大而易致受伤。骨杠杆的机械效益对肌肉的收缩力量有直接影响，机械效益常常会随着运动中肌肉的拉力角、阻力臂、力臂的相对长度等发生变化。运动员在训练和比赛中实施各种力量时，若能充分利用骨杠杆的机械效率，调整肌肉对骨骼的牵引角度、改变杠杆的阻力臂与力臂的相对长度，则能有效地提高肌肉力量。

4 力量训练的原则

4.1 大负荷原则 大负荷原则是为有效提高最大肌力，训练时的肌肉阻力负荷应该接近（大于最大负荷能力的2/3）、达到甚至超过肌肉所能承受的最大负荷。通常小于最大负荷80%的负荷对提高最大肌力的效果不明显。大负荷原则的生理机制是肌肉各运动单位的兴奋性不同，当阻力负荷较小时，只有兴奋性高的运动单位产生反应；随着肌肉负荷的阻力逐渐增加时，中枢动员的运动单位的数量也增加，同时兴奋发放的频率也增加。足够大的负荷对中枢神经系统刺激大，能使运动中枢发出更强的信号，从而调动更多的运动单位参加同步收缩。

4.2 渐增负荷原则 渐增负荷原则也被称为超负荷原则，是发展肌肉力量最基本的原则。超负荷原则是训练时的负荷要超过原来的负荷，即大于或超过已经适应了的负荷。并不是指负荷要大于本人的最大负荷能力。超负荷原则的生理基础在于使肌肉得到极大的刺激，产生一定的生理适应，使肌力增加。打破原有的适应，建立新的适应，不断循环提高。只有不断地提高训练，不断地产生新的适应，肌肉的力量才会不断提高。

4.3 专门性原则 专门性原则是指所从事的肌肉力量练习应与相应的运动项目相适应，肌肉对施加负荷有专一的适应性。肌肉收缩方式受训练方式的影响，如用力时关节的角度、负荷的重量、完成动作的速度和节奏等因素。在训练过程中不能只为练力量而练力量，力量训练必须符合专项的需求，与专项技术动作结合。否则可能会出现另一种结果，即力量素质提高了，但对专项成绩的提高却没有帮助。

4.4 负荷顺序性原则 负荷顺序性原则是指力量练习过程中应考虑前后练习的科学性和合理性。总的来说应遵循先练大肌群，后练小肌群，相邻的训练动作避免使用同一肌群的原则。训练大肌肉时，运动中枢的兴奋面广、兴奋程度高，在练习过程中不仅可以提高练习肌肉本身的力量，由于兴奋的扩散作用，还对其他肌肉有良性刺激作用。此外，由于大肌肉相对不易疲劳，而小肌肉练习易疲劳，若先练习小肌肉，小肌群疲劳后，将影响大肌肉练习动作的质量，甚至导致大肌群力量无法完成，容易导致肌肉的过度疲劳和肌肉损伤。

4.5 合理时间间隔原则 力量训练计划应寻求2次训练课之间的适宜间隔时间，使下次力量训练在上次训练出现的超量恢复期内进行，从而使运动训练效果得以积累。训练间隔时间与训练时间和训练量有着密切的关系，训练强度和训练量大，训练间隔时间应长。最近的研究表明，每周进行3次力量训练的效果并不比每周进行2次力量训练的效果好。

训练的目的不同，负荷的强度不同，力量训练时运动与休息时间比值不同（表1）。确定运动与休息时间比值最重要的因素是力量训练的负荷强度。进行接近最大负荷的力量训练时（85% ～100%最大功率），机体主要依赖直接的储备能源提供能量，运动可持续的时间一般为5～10 s，休息的时间间隔约为工作时间的10～20倍；进行小负荷训练时机体的能量供应主要来自于能源物质的有氧氧化，可以较长时间提供能源。因此，运动组间的休息时间的长短就不重要了。

表1 训练强度与训练间歇时间的一般要求

4.6 全面性原则 全面性行原则是指发展力量素质时，不仅要注意大肌群的力量，更要注意小肌群力量的发展。全面性原则的另外一层含义是，全身各主要肌群必须均衡发展，包括主动肌与拮抗肌之间的力量平衡、肢体两侧的同名肌的力量平衡、肢体内外侧的力量平衡、稳定肌群和动力肌群之间的力量平衡、动力链中所有环节均衡发展等。动力链上的任何一个环节出现问题，都会影响技术动作的质量，或都会影响运动成绩。力量训练必须全面，不允许出现薄弱环节。

4.7 经常性原则 根据目前的研究和实践，人们已经比较清楚地了解了神经系统和肌肉组织发展在力量素质发展的作用规律，即早期力量素质的发展主要依赖神经系统的作用，即通过增加神经冲动的强度，提高对肌纤维的募集能力，动员更多的肌纤维同时参加工作来提高肌肉力量。在1～2周的力量训练后神经系统的支配能力就可得到改善，如果此时终止力量训练，已获得的力量素质会很快退回到训练前的水平。随着训练时间的延长，肌肉组织发展，肌肉维度增加，对力量素质的贡献就越大（图2）。

图2 神经适应和肌肉适应与力量增加之间随着训练时间推移的变化关系

究竟需要多长时间产生适应性变化仍存在争议。研究者认为，对力量训练刺激的组织适应一般约6周左右开始发生；部分研究者认为，肌肉组织结构产生适应需要8～12周。此后如需保持力量训练的成果，需要常年坚持系统的力量训练；如果需要不断地提高运动员的力量，就必须不断地增加训练中的负荷强度，并长期系统地坚持力量训练。

力量训练的经常性原则是提高肌肉质量和预防延迟性肌肉酸痛所必需的。未经训练的肌肉长时间参加工作，或肌肉的工作超过了肌肉习惯的负荷，就可能引起损伤，延迟性肌肉酸痛是在进行了不习惯的练习、练习超出了运动员习惯的强度或长期中断力量训练又开始力量训练后出现的。从已有的经验看，预防延迟性肌肉酸痛最有效的方法依然是有规律的、系统的力量训练。

4.8 整体控制训练负荷原则 整体控制训练必须考虑与训练有关的多种因素，如训练量、训练强度、专项特点、训练方法手段、个体差异等诸多因素。在安排力量训练时，要将力量训练纳入某一专项的整体安排来统一考虑。力量训练是运动员整体训练的有机组成部分，而不是训练的额外部分，如果在安排训练时，没有很好地把专项训练和力量训练有机结合起来，就很容易导致过度疲劳。贯彻整体控制训练负荷原则，既保证训练效果，又避免运动员因负荷过度而导致损伤，避免过度训练发生。

5 小 结

随着体育科学研究的深入，形态学、生理学、生物力学等生物学知识与训练学理论紧密结合并渗透到力量素质的训练中，形成了1套完整的交叉学科理论体系。生物学知识在探讨肌肉运动规律、指导肌力训练和提高肌肉力量素质方面已取得显著的成果。

科学合理的力量训练可以优化其训练效果，减少损伤发生。在进行力量训练时应遵循以下几项基本原则：大负荷原则、渐增负荷原则、专门性原则、负荷顺序性原则、合理时间间隔原则、全面性原则、经常性原则和整体控制训练负荷原则。

本篇文章就力量训练的生物学基础和力量训练的基本原则进行了阐述，其目的是为更好地应用和指导力量训练打好基础。

在下一次的文章中，我们将就力量训练的强度和强度控制进行阐述和探讨，以便正确地指导力量训练，保证训练质量，减少运动伤病，使力量训练更有针对性。力量训练的针对性主要表现在以下方面：使力量训练更好地与专项结合，更好地为运动专项服务，如最大力量、爆发力、速度力量训练时的强度区别；使力量训练更好地为健身爱好者服务，如体型较瘦弱的人如何增加肌肉体积，再如怎样锻炼可以获得更好的肌肉线条；为提高健康水平服务，如老百姓怎样利用力量训练提高健康水平等。

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Biological Basis and Principle of Strength Training

WANG An-li, LIU Dong-sen
(Sport Rehabilitation Department, Beijing Sport University, Beijing 100084, China)

With development of sports science, biological knowledge provides microscopic domain theory basis to exercise and training development. Based on theoretical research results of strength training in recent years, this thesis describes biological basis of strength training in morphology, physiology and biomechanics perspectives. On this basis, this article also discusses basic principles for scientific and rational strength training. Through elaboration of biological basis and principle of strength training, suggestion is provided to readers for better implementation and guidance of strength training.

strength training; biological basis; training principle

G804.53

A

1004－7662(2014 )05－0072－06

2014－05－12

王安利，教授，博士，博士生导师，研究方向：运动康复、体能训练。