冷环境与运动能力的生化分析

翁锡全, 王朝格, 林宝璇

(广州体育学院,广东 广州 510500)

星移斗转,天气变冷是一种自然现象,也是开展体育运动经常遇到的环境气象条件,某些体育项目甚至必须依赖冷环境才能开展。一般来说,体育运动中的冷环境是指陆上温度低于12 ℃的运动环境,当然冬季项目的运动环境温度可能会更低。冷环境下运动,机体会产生一系列与常温、高温环境不同的生理生化变化,特别是运动时机体的物质和能源代谢情况会有很大差异,以应对冷环境下能量消耗的增加[1]。第24届冬奥会将于2022年在北京举行,探讨冷环境下运动机体体温调节、物质能量代谢的特点,减少寒冷应激对运动能力表现的影响,对教练员和运动员具有十分重要的意义。由于人体对冷环境的应激不如适应高温的能力强,因此冷环境下运动员的运动能力表现历来受到教练员和科研人员的高度重视。以下从生化角度分析冷环境与运动能力的关系。

1 冷环境下运动身体反应与体温调节

冷环境下,机体对流散热增加,如遇上强气流的作用,更加速对流散热并降低服装的隔热性,能量消耗增加,引起机体散热与产热失衡,导致体温下降,影响肌肉张力,增加冻伤发生的可能。为应对体温下降,机体通过生理和代谢反应减少散热,激活以增加产热为主的体温调节系统,保持核心体温的相对稳定。

静息状态下,人体对冷应激的最早反应是通过皮肤冷觉感受器反射,引起皮下血管收缩减少向体外散热。当基础代谢的产热不能维持体温,同时血管运动的调节不能弥补寒冷引起的散热时,机体通过寒颤(ST)和非寒颤(NST) 2种形式增加产热。所谓ST是指在冷环境下骨骼肌发生自主、非同步的收缩产生的能量大部分转变成热量的现象;而NST是非骨骼肌组织未做机械功情况下代谢产生热量。在冷环境下,骨骼肌寒颤性产热最高可达基础代谢的5倍,而在常温运动过程中,肌肉收缩可使机体代谢率增加15～20倍[2]。因此,在冷环境下运动时由于机体能量代谢速率的提高,运动可部分或全部取代寒颤性的产热。但是,由于运动时机体骨骼肌血管舒张,导致外周血流增多,促进散热,降低了身体对寒冷的绝缘能力,进一步增加热量消耗。这一点可能是不同程度低温环境影响核心体温调节而导致运动能力表现差异的关键所在。在冷环境温度不太低(如11 ℃)的情况下,由于运动加速血液流向外周,增加了散热,这时反而可有效避免运动能量代谢增强引起的核心体温过高[3]。相反,如果冷环境温度过低(0 ℃以下),则使热量大量流失而引起核心体温下降,这种情况常常在冬季项目或冷水中运动及陆上服装保温不良的运动中出现。

当然,长期在低温环境下进行运动训练,一方面可提高机体基础代谢,使骨骼肌寒颤阈值升高,并使NST产热增加;另一方面,可改善机体体温调节的感受性,增强耐寒能力。其调节机制可能与甲状腺素分泌增加,交感—肾上腺系统活动增加,以及降低身体各组织的某些低效代谢反应和白色脂肪棕色化等有关[4]。

2 冷环境下运动机体物质能量代谢特征

人体冷环境下静息时基本依赖寒颤这种方式获得热量,由于ATP、CP在骨骼肌中储量少,因此,寒颤期间肌肉收缩需要依靠糖、脂肪、蛋白质等的氧化维持能量供应,此时耗氧量增加。而这些能源物质储量和代谢效率不一样,为维持寒颤期间ATP再合成和产热,需要在适当的时间以适宜的速度从肌内储备或通过循环从其他组织向寒颤的肌肉提供这些底物。糖、脂肪和蛋白质的供能顺序和比例与冷刺激强度、时间和能源物质供给有关。在冷暴露期间,从能源物质储量获取和代谢方式分析,温度越低,肌糖原和血糖越是首选。当糖原储备量正常的机体暴露在冷环境时,糖类能提供所需全部热量的20%～80%,其中,肌糖原占75%～80%,血糖占20%～25%。但是,在极端寒冷环境下,血糖具有更高的代谢率,发挥更强的耐寒作用。当机体血糖水平过低(<2.5 mmol/L)时则会加速核心体温的下降[5]。因为冷刺激增加了胰岛素和葡萄糖向组织输送,引起组织对葡萄糖的摄取增加,血液循环中葡萄糖减少,影响骨骼肌寒颤时糖的氧化产热,导致核心体温下降。如冷环境温度不太低引起低强度颤抖时,动用的脂肪增加。当糖原储量减少时,脂肪和蛋白质增加氧化速率以维持产热。当然,除骨骼肌寒颤性产热外,棕色脂肪组织非寒颤性产热也对总产热率有显著作用。这是人们利用适宜冷环境进行减肥的理论基础。

冷环境下运动可引起体内蛋白质代谢增加,但相对于糖的利用而言,其代谢供能量的增加幅度有限[8]。

3 冷环境下运动表现与应对措施

运动能力表现与环境温度的变化有密切关系,不同环境温度对运动员的生理机能有不同影响,运动能力也会随之发生改变。在温度过低环境下(<0 ℃)运动,一方面低温导致肌纤维粘滞性加大,骨骼肌兴奋性及协调性下降,肌肉僵硬,关节灵活性减弱,容易发生肌肉和肌腱撕裂、抽筋,增加运动损伤的风险。另一方面,低温加剧人体外周血管收缩和外周血流量降低等生理反应,影响骨骼肌的收缩功能,降低肌肉最大张力,从而削弱其高强度运动能力。这一点也可从低温环境下运动前被动加温降低主观性工作强度,提高高强度运动成绩得到证明。此外,由于低温加速了白色脂肪棕色化作用,引起非寒颤性产热增加,再加上运动对氧的消耗增加,呼吸交换比率加快,这时低温空气更易造成呼吸道感染。同时,由于体温降低导致某些酶活性下降,进一步影响骨骼肌代谢供能的能力。低温刺激使交感神经兴奋和肾上腺素分泌增多,外周血管收缩,血容积减少,造成尿量增加,以及运动时排汗等造成机体脱水,影响机体运动能力的表现。

在适宜低温环境(10 ℃左右)下运动,则能提高运动表现。因为低温环境可抵消运动时产生的热量,使运动员的核心体温降低,增加最大输出功率,延长运动时间,提高运动耐力能力。同时,在适宜低温环境下进行耐力训练,可改善运动员体温调节的感受性和产热反应能力,有效提高机体的耐寒能力。适宜低温提高运动耐力的原理也应用于高温环境运动前的预冷处理。高温时,通过适当降温的方法如全身或四肢冷水浸泡、面部喷洒冷水、呼吸冷气或饮用冰水等增加热量消耗,可有效降低运动员比赛期间的核心体温,提高其耐力水平。

冷环境引起机体生理和代谢反应,因此,训练和比赛前应针对性地做好应对措施。一是注意穿着薄厚适宜,最好是棉质服装,在不影响运动的同时注意保暖,以防冻伤。二是做好充分的准备活动或被动加温,提高体温,改善肌肉和关节的活动能力,防止运动损伤。三是运动时尽量使用鼻子呼吸,减少冷空气对咽喉、呼吸道的刺激,避免上呼吸道感染。另外,根据低温环境机体的代谢特点,长时间运动或训练时,应给运动员补充充足的能源物质,如糖和氨基酸,同时保证充足的水及维生素摄入。此外,在热带或温带生活、训练的运动员,如要到冷环境的异地比赛,赛前尽可能早地进行冷习服,使运动员更好地适应冷环境下运动。

4 小结

冷环境是运动训练、比赛中经常遇到的一种天气现象,不同温度冷环境引起机体生理和代谢反应不一样,但都围绕维持体温和满足运动时骨骼肌能量需求进行调节。温度越低,对运动表现的影响越大,而适宜的低温,则可提升运动员的运动表现。同时,随温度的降低或运动强度的增大,运动中糖的供能比例趋于增大,而脂肪氧化代谢供能比例呈下降趋势。但是,经常在冷环境下训练可促进脂代谢,增强脂肪组织非寒颤性产热的能力,提高机体冷环境下大强度耐力运动的能力。为应对低温对机体功能的影响,冷环境下训练和比赛前应做好应对措施。