昼夜生物节律对自行车运动员运动能力的影响与机制

黄华生，吴晓君，王晨宇，张 艳



昼夜生物节律对自行车运动员运动能力的影响与机制

黄华生1，吴晓君1，王晨宇2，张 艳1

昼夜生物节律；自行车运动员；运动能力；体温；能量代谢；激素

男子1 km自行车计时赛是以有氧、无氧混合供能的体育运动项目，属于体能主导类速度性项群，要求运动员在比赛中通过踏蹬自行车，以较高的速度和较短的时间来决出名次[22]。Hettinga等[13]让6名自行车运动员分别进行4次1 500 m计时赛后发现，比赛成绩最佳时有氧和无氧峰值功率最高且无氧峰值功率在比赛中出现最早，提示运动员可按照生理状态的变化来调整比赛配速[18]。有证据显示，有氧和无氧代谢系统的供能效率在傍晚较清晨有所增加[15,25]，其机制与体温波动有关，推测昼夜生物节律可能是影响能量代谢系统供能以及运动员比赛配速的重要因素。由于比赛配速主要依赖于有氧和无氧代谢的相互作用[16]，因此短距离高强度项目更易受到生物节律的影响，但这一假设尚未得到实验证实。

研究发现，多种影响运动能力的激素如胰高血糖素(pancreatic glucagon，PG)、去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)、肾上腺素(adrenalin，ADR)、皮质醇(cortisol，CRT)、生长激素(growth hormone，GH)和睾酮等在安静时均具有昼夜生物节律特性，但有关运动时激素变化的生物节律变异鲜有关注。由于短距离自行车计时赛成绩主要依赖于运动员在比赛中维持高水平功率输出的能力[11]，因此推测各种激素的互相调节与作用可能对运动能力产生一定影响，即傍晚运动能力改善可能与此时间段安静时和/或运动时的激素代谢水平密切相关。

本研究旨在对比男子1 km自行车计时赛运动员择时训练(8:00 a.m.和6:00 p.m,)时运动成绩、功率输出、能量代谢、比赛配速、体温与激素水平的差异，探索昼夜生物节律对运动能力的影响并探讨其可能的生理学机制。选择1 km自行车计时赛是因为该项目同时依赖有氧和无氧代谢系统，而在代谢系统作用下的比赛配速则是决定运动成绩的关键因素[7]。我们假设，运动能力在傍晚时高于清晨，其机制可能与傍晚体温升高，有氧、无氧代谢供能效率增加以及安静和/或运动时激素波动所营造的“代谢环境”有关。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取男子自行车1 km计时赛运动员(国家二级)15名。受试者身体健康，无心血管疾病、代谢性疾病和运动系统疾病，无急慢性感染，近期无运动损伤以及服用各种药物与营养补剂。实验前告知其注意事项和运动风险并签订知情同意书。

1.2 整体实验设计

受试者首先熟悉实验室环境以及实验流程(特别是功率自行车的使用)，随后共进行3次正式实验(每次实验间隔2天)。第1次：测定身体形态学和血流动力学参数并利用递增负荷实验测定有氧运动能力，本次实验在10 a.m.～2:00 p.m.间进行以避免对随后的择时运动实验(8:00 a.m.和6:00 p.m.)产生适应。第2次和第3次：分别于8:00 a.m.和6:00 p.m.进行1 km自行车计时赛。嘱受试者实验前24 h内避免进行剧烈运动，禁咖啡和烟酒。实验期间保持实验室环境温度(23℃～25℃)和湿度(50%～60%)相对稳定。

1.3 身体形态学测定

常规方法测定身高(m)、体重(kg)并计算BMI(kg/m2)=身高/体重2。用体成分仪(Inbody 520，韩国)测定身体成分，即脂肪重量(fat mass，FM)、去脂体重(fat-free mass，FFM)和体脂百分比(percent of body fat，PBF)。

1.4 血流动力学测定

受试者端坐位安静休息15 min后，采用经校正的标准台式水银柱血压计测量右上臂肱动脉血压，连续测量3次，每次间隔5 min，取其均值，获得安静收缩压(systolic blood pressure，SBP)和舒张压(diastolic blood pressure，DBP)。同时计数3次(4×15 s)脉搏取平均值作为安静心率(heart rate，HR)值。

1.5 递增负荷试验

1.6 体温测定

分别于自行车计时赛前后采用经常规消毒并经预先检测误差<0.1℃的水银柱式口腔温度计测量口腔温度，同一受试者用同一支口腔温度计。测定方法为：测量时将温度甩至 35.0℃以下，将口腔温度计水银端斜放于受试者舌系带处，闭紧嘴唇，用鼻呼吸，测量时间为10 min。

1.7 自行车计时赛

1.8 统计学处理

图 1 1 km自行车计时赛实验流程Figure 1. Experimental Protocol of 1 000 m Cylcle Time Trial

2 结果

2.1 受试者的基线特征

受试者均为1 km自行车计时赛运动员，各自主项成绩均达国家二级水平(成绩达到1′06″)。计算各指标的变异系数(coefficient of variability，CV，表1)。各变量中除FM(CV=13.4)、PBF(CV=11.1)和MAP(CV=13.1)外CV均<10%，表明受试者基线特征(形态、机能、运动能力等)接近(同质性高)。所有受试者均完成了全部实验且未出现不良反应，无失访者。

表 1 受试者的基线特征Table 1 Baseline Characteristics of the Subjects

2.2 自行车计时赛前后体温的变化

与计时赛前比较，清晨(8:00 a.m.)和傍晚(6:00 p.m.)计时赛后体温均升高(P<0.05)；与清晨(8:00 a.m.)比较，傍晚(6:00 p.m.)计时赛前体温升高(P<0.05)，计时赛后无显著性差异(P>0.05，图2)。

图 2 自行车计时赛前后体温的变化Figure 2. Change of Body Temperature Before and After Cylcle Time Trial

注：与清晨(8:00 a.m.)比较，*P<0.05；与计时赛前比较，#P<0.05，下同。

2.3 清晨和傍晚1 km自行车计时赛时运动成绩、功率输出及生理反应的比较

表 2 清晨和傍晚1 km自行车计时赛时 运动成绩、功率输出及生理反应的比较Table 2 Exercise Performance,Power Output and Physiological Response in Morning or Evening

图 3 实验过程中MPO的变化Figure 3. Change of MPO During Test

图 4 实验过程中APO的变化Figure 4. Change of APO During Test

注：与200 m比较，aP<0.05；与400 m比较，bP<0.05，下同。

图 5 实验过程中AnPO的变化Figure 5. Change of AnPO During Test

图 6 实验过程中O2的变化Figure 6. Change of O2 During Test

图 7 实验过程中HR的变化Figure 7. Change of HR During Test

2.3 激素水平与物质代谢的时程变化

血浆PG、NE、ADR和LA在实验后即刻升高(P<0.05)，实验后60 min下降(P<0.05)并恢复至实验前水平(P>0.05)，各时间点生物节律(清晨 vs.傍晚)的作用并无显著性差异(P>0.05)。各时间点血浆Ins、CRT、TTE和FTE在清晨高于傍晚(P<0.05)，GH和Glu则在清晨低于傍晚(P<0.05)；GH在运动后即刻升高(P<0.05)，但与运动后60 min无显著性差异(P>0.05)；TTE和FTE在实验后即刻升高(P<0.05)，实验后60 min下降(P<0.05)并与实验前无显著性差异(P>0.05，表3)。

将上述变量实验后即刻数值与实验前数值之差(△=实验后即刻-实验前)作为该变量对于运动的反应，结果发现，血浆NE和Glu对运动的反应在清晨高于傍晚(P<0.05，图8、图9)，其他变量对运动的反应无生物节律性(P>0.05)。

表 3 实验前、实验后即刻以及实验后60 min激素水平与物质代谢的时程变化Table 3 Time Course of Hormones and Substance Metabolism Before,Immediately and 60 min Post Trial

注：与实验前比较，aP<0.05；与实验后即刻比较，bP<0.05；同一时间点与傍晚比较，*P<0.05。

图 8 血浆NE对运动的反应Figure 8. Plasma NE Response to the Exercise 注：与傍晚(6:00 p.m.)比较，*P<0.05，下同。

图 9 血浆Glu对运动的反应Figure 9. Plasma Glu Response to the Exercise

3 讨论

本研究的主要目的在于探讨昼夜生物节律对男子1 km自行车计时赛运动员运动能力(运动成绩和功率输出)、能量代谢、比赛配速、体温和激素水平的影响，结果发现：

1.与清晨(8:00 a.m.)比较，傍晚(6:00 p.m.)时运动成绩(计时赛时间)与功率输出改善，同时伴有氧、无氧供能效率增加以及比赛配速适时调整。

2.安静状态下傍晚时的口腔体温高于清晨。

3.安静时血浆Ins、CRT、TTE和FTE在傍晚低于清晨，而血浆GH和Glu则在傍晚时高于清晨；血浆NE和Glu对运动的反应在清晨高于傍晚。

生物节律影响运动能力的机制尚未完全明确。研究证实，下丘脑视交叉上核作为昼夜节律起搏点(生物钟)通过调节多种生命活动影响运动能力[10]，其中体温波动的作用最为肯定[21]。在本研究中，与清晨相比，傍晚时运动能力增强同时伴安静时体温升高，此外清晨和傍晚计时赛后体温虽均高于赛前，但并无显著性差异，提示体温对于急性运动的反应并无昼夜节律性。体温升高可上调代谢酶活性、促进糖原分解和糖酵解、加快ATP再合成，进而提高能量代谢系统的供能效率，因此本研究中傍晚时有氧、无氧工作能力以及总的能量输出均高于清晨。此外体温升高还具有降低肌肉粘滞性、扩张血管、增加肌肉血供、有利于肌球蛋白和肌动蛋白的相互作用、增加动作电位的传导速度、加速代谢产物清除等作用[21]。Bergh等[1]的研究显示，体温每下降1℃，运动能力降低5%，然而本研究中清晨与傍晚体温波动的幅度(0.7℃)似乎并不能完全解释计时赛成绩(7.3%)和功率输出(18.5%)的变化，因此尚存在其他机制，如神经肌肉活性以及激素分泌。关于神经肌肉活性目前有两种假说，即中枢机制(神经系统对肌肉的调控)与外周机制(肌肉收缩特性、代谢以及肌纤维形态)[6,26,29]。近年来的研究利用不同运动模型和生物技术(表面肌电图、生物力学等)均发现，中枢调控并非肌肉力量和功率输出存在昼夜节律的主要原因，外周机制可能起主要作用[19,26,29]。此外，Sedliak等的研究表明[23]，清晨或傍晚训练后股四头肌的横截面积和容量均无显著性差异。根据现有的证据，我们推测，同一天内神经活性以及肌肉结构变异的可能性不大，体温、能量代谢(前两者已论述)以及激素的昼夜波动则可能对肌肉舒缩功能发挥关键的调节效应。

多种激素能够对运动能力产生深刻影响，其中Ins是机体内唯一降血糖激素，同时能够促进糖原、脂肪和蛋白质合成；PG具有促进糖原和脂肪分解以及加强糖异生的作用，可使血糖明显升高；NE和ADR可加快心率、升高血压、增加代谢率、促进糖原分解和糖酵解供能；GH能够促进肌肉蛋白合成、增加肌肉的体积和肌肉力量，此外还具有促进脂肪分解、拮抗Ins、升高血糖等作用；CRT能够触发应激反应，促进分解代谢，维持血压稳定，抑制炎症反应，与PG和GH可同时提高血糖水平，有利于运动的进行；睾酮是体内主要的同化激素，可促进蛋白合成，增加肌肉体积和力量，增加糖原储备，促进红细胞生成，维持雄性进攻意识，提高神经肌肉工作效率和运动时的功率输出。上述物质均具有生物节律性，其中ADR和NE含量具有明显的日节律变化，峰值出现在7:00～10:30 a.m.和8:00～10:00 p.m.，但运动诱导的ADR峰值则只出现在8:30 a.m.[28]；CRT水平在清晨时达到峰值，随后呈线性下降并于8:30 p.m.达谷值，但其对急性运动的反应并不存在生物节律性[8]；GH含量的昼夜生物节律特点是在清晨最低，睡前2 h最高，但运动后的反应性并无显著差异[17]；Ins和PG可影响物质代谢和运动能力，但运动时的生物节律性变化尚不得而知。鉴于此我们推测，多种激素与物质代谢的昼夜节律变异可能是自行车运动员运动能力傍晚高于清晨的原因之一。本研究发现，与傍晚安静时比较，清晨血浆Ins和CRT升高、GH和Glu降低。CRT升高说明机体处于应激状态，同时可上调血糖水平，Ins升高可部分抵消CRT的升血糖效应，GH下降可在一定程度上降低血糖水平，最终在各种激素的综合作用下使得清晨Glu低于傍晚。饶有兴趣的是，清晨时运动诱导的血浆NE上调幅度高于傍晚，同时血糖亦出现相似的变化规律。血浆NE对于清晨运动的高反应性可对抗血糖浓度下降，其机制在于NE可通过直接促进肝脏糖原分解以及间接增加游离脂肪酸动员而上调血糖含量。我们推测，清晨安静和运动时机体在相关激素的作用下(安静时Ins和CRT升高、GH和Glu降低，NE和Glu对运动的反应性升高)形成一种“不利的代谢环境”，即不利于机体充分调动其生理机能以及形成最佳竞技状态。本研究还发现，清晨安静时TTE和FTE水平均高于傍晚，且清晨和傍晚运动均可上调两者水平。研究证实，一天中睾酮含量在8:00 a.m.最高、8:00 p.m.最低，但其对于急性运动的反应并不存在昼夜节律性[24]。睾酮基础水平与冲刺能力以及爆发素质正相关，其水平增加可提高神经肌肉募集效率以及快肌纤维对钙离子的调节能力[24]，推测本研究中清晨睾酮水平升高的意义在于一定程度上代偿“不利的代谢环境”。然而在一项以普通大学生为受试对象的研究中[27]，睾酮和CRT等激素的昼夜节律变异与运动能力(最大力量和功率输出)无显著关联，并认为激素的昼夜变异幅度较小，因而并未对神经肌肉系统产生显著作用，可能与受试者无训练经历有关。此外，Teo等[28]指出，只有长期运动诱导同化激素水平增加和/或异化激素水平下降后，内分泌系统才能有效发挥调节运动能力的作用。结合本研究纳入的受试对象和研究结果我们认为，经过系统训练的自行车运动员其内分泌系统对于长期运动已产生适应，相对于清晨时各种激素营造的“不利的代谢环境”，傍晚训练时机体则处于相对“有利的代谢环境”，这可能是傍晚时运动能力高于清晨的重要内分泌机制。因此，激素水平即同化激素与异化激素的平衡状态是决定运动员运动能力生物节律性的重要因素之一[2,13]。

4 结论与建议

男子1 km自行车计时赛运动员的运动能力在傍晚高于清晨，其机制可能与傍晚时体温升高，有氧、无氧代谢系统的供能效率增加，比赛配速调整以及在相关激素的作用下形成的有利于调动机体生理机能和保持竞技状态的代谢环境有关。

本研究受试对象为国家二级男子自行车运动员，因此所得出的结论应慎重应用于更高水平(一级、运动健将和国际健将)、女子或者其他项目运动员。今后的研究应以高水平运动员为受试对象，探讨运动能力、比赛配速和身体机能的生物节律特点并进一步阐释其生理学与分子生物学机制，探索调整生物节律的训练学和非训练学(营养学、药理学、物理学等)方法与手段，以达到科学合理安排日常与备赛训练计划、预防训练伤病发生、保持良好机能能力、获得最佳竞技状态、取得优异运动成绩的目的。

在运动实践中，赛事组织的时间显然是不确定的，可能在机体处于“不利代谢环境”的清晨进行。Chtourou等的研究[6]指出，长期择时训练的效果具有明显的时间节律特异性，特定时间段(清晨或傍晚)训练对该时间段运动能力的提高幅度明显高于其他时间段，即使规律清晨训练亦可改善清晨时的运动表现(使运动能力接近甚至超过傍晚时水平)，同时还能够减弱甚至消除运动能力的日节律变异，说明运动能力的昼夜节律性并非一成不变的，可通过择时训练进行调节。Edwards等[9]进一步对短期择时训练效果进行了探索，即对比自行车运动员前1天不同时间段(7:00 a.m vs.12:00 a.m)训练对第2天清晨测试成绩的影响并发现，前1天7:00 a.m训练的效果明显优于12:00 a.m，提示运动能力的生物节律特征能够对训练安排的调整做出迅速反应和适应。结合本研究中激素与物质代谢的变化规律，建议运动员按照运动能力的生物节律特征科学、合理的安排日常训练以达到最佳的训练效果，临近比赛期间的训练安排在时间上应尽量与比赛日接近或保持一致，或联合其他辅助手段调节机体的生物节律以保证比赛时拥有良好的机能状态与竞技能力。

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Effects and Mechanism of Daily Biorhythm on Exercise Capacity in Cyclists

HUANG Hua-sheng1,WU Xiao-jun1,WANG Chen-yu2,ZHANG Yan1

dailybiorhythm;cyclists;exercisecapacity;bodytemperature;energymetabolism;hormone

1002-9826(2016)06-0107-08

10.16470/j.csst.201606017

2016-01-07；

2016-09-16

河南省科技攻关重点项目(152102310117)。

黄华生(1978-)，男，壮族，广西忻城人，讲师，硕士，主要研究方向为体育训练与运动生理，E-mail:ppzyppzy@126.com；吴晓君(1981-)，女，广西南宁人，讲师，硕士，主要研究方向为康复医学，E-mail:wuxiaojun@163.com；王晨宇(1975-)，男，河南淮阳人，副教授，博士，主要研究方向为运动训练与健康促进， E-mail：wchenyu@126.com；张艳(1975-)，女，广西合浦人，副教授，硕士，主要研究方向为运动训练与健康促进，E-mail：zhangyan19751106@126.com。

1.广西中医药大学，广西 南宁 530200；2.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450015 1.Guangxi University of Chinese Medicine,Nanning,530200,China；2.Zhengzhou University of Aeronautics,ZhengZhou,450015,China.

G872.3

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