竞赛表现的力量突破与系统训练的“总功”约束——目标系统表现最大功率优化与能量提升的系统训练生物原理(上)

李 捷, 王晓军, 裘 晟, 李 稚, 李端英

(1.广东省体育局 科教宣传与交流处,广东 广州 510108; 2.广东省体育局 黄村体育训练中心,广东 广州 510663;3.广东省体育科学研究所 国家体育总局体能与训练适应控制系统重点实验室,广东 广州 510663)

在竞技训练中,力量训练的重要性越来越为大家所重视,力量训练标准量化定位已是训练常规。从方法学上看,量化定位及其时序重复的训练方式本身没有问题,但在量化标准的设定上,却可能出现问题。当前,在多数项目非赛季的训练安排中,力量(专项体能)训练的标准经常被限制在70%～90%的强度范围,而且每周至少在6～8次训练单元(课次)中进行重复。这表面上突出了力量训练的比例,但实际却出现这样的结果:无论怎样突出个体化的专项“实战”(与目标总功能量标准不一定相关)训练,运动员的竞赛成绩总是在“平台”上徘徊,很难取得突破。目标系统训练理论告诉我们,运动员在竞赛时间节点的表现都是前期训练经验过程的结果(负熵流),当日常训练中的“实战”及力量训练标准与竞赛目标成绩标准(总功)无关联时,所谓“实战”或者力量强度70%～90%的训练,都是低于运动员竞赛系统目标成绩水平与竞赛能量要求的训练经验。而且,当这种“实战”与力量训练标准在训练中被程序化固定时,运动员训练经验的“量”、功与能量(负熵流)的生物平衡控制关系,就被限制在 70%～90%的强度范围水平。基于脑神经系统动态可塑性的经验选择性学习原理,在生物逻辑上,处于这种训练状态的运动员永远不能出现成绩突破,运动员的竞技表现只能处于力量强度70%～90%的能量表达状态,而且这还是在没有进行竞赛“目标”标准关联条件下的负荷强度。目前,这种现象仍然具有相当的普遍性,与竞技“系统”训练的目标约束、专项转化的以赛带练、成绩水平提高必须基于总功突破的训练生物逻辑认识相差甚远。假若这种现象不能得到改变,竞技成绩的突破永远只是一种臆想。而改变这种现象,需要从竞技训练的目标总功、系统“总功”与力量训练间的生物约束关系、目标系统结构的质能关系、系统总功与对应能量代谢体系关系的生物本质、系统目标总功(负熵)约束、总功(目标成绩或能量代谢总值)与氧适应保护机制的互动关系原理等方面进行深入分析,厘清力量训练与总功突破关系的本质,从而改变力量训练安排的认识偏差,真正提高竞技训练效率。

1 竞技训练系统“总功”与“总功”限制原理概述

1.1 系统总功、氧功与“氧适应状态”保护

竞技训练的系统总功(目标成绩物理值或系统生物能量代谢总值)是系统动作链运动所表达的总功,或者支持系统动作链输出的能量体系及其代谢环境随动调适所涉及的全部能量与热量。系统总功=系统运动+热平衡+稳态调适所产生的内源性能量发生的总和。运动成绩可以作为系统的可测量外功,但是,“外功”并不是机体能量供应的全部,机体伴随外功发生的生物随动调适可被看作是“总功”的内功。内功是指从外功输出开始随动,直至外功输出停止,机体恢复稳态所需能量的全部生物活动过程。与内功相对应的是基于氧化还原的多能量代谢体系的随动平衡活动。总功与能量代谢体系状态、脑及自主神经系统动员程度直接相关,对应于实时“稳态活动的基本生命性质”,可以把内源性能量发生、热平衡调适及内环境稳态平衡与实时氧化还原互动活动的效率,称为“氧功效率”。总功与氧功效率的关系,是决定运动时能量输出总量与最大功率时序定位的核心问题。

目标系统总功与能量供能体系的储备空间和极限动员效率直接相关。在与动作链表达相关的情况下,氧功左移越多,说明氧恢复效率越高,相应的动作链输出功率提高,可以相对延长机体的极限与次极限运动时间。但是,由于外功输出的时限、运动员脑与自主神经系统动员程度等问题,可以导致氧功左移的训练手段在训练限制条件的控制上要求十分严格。总功要求下的极限代谢手段训练标准的选择及其时序效应的程序化时域控制,是确保总功与氧功训练效应控制关系的核心问题。例如,A负荷手段引起的代谢需求被限制在最大摄氧量范围内的有氧氧化供能部分(长距离,心率在160～180次/min),那么,A手段只是在氧化还原平衡允许的最大范畴内进行氧供应效率训练。而在所有的竞速类项目中,最大摄氧量对应的能量供应状态,都不是极限速度要求的能量效应状态,所以A手段的代谢氧供应效率训练不能提高运动成绩。极速竞赛项目的训练本质与竞速的能量速率/时限需求的生物关系,呈现出与个体极限生物能量代谢能力及内环境限制条件相关的最大功率输出保持时限及其时序演化进化状态,若想提高最大功率输出能力,必须耦联相应的能量代谢速率与时限。英国格拉斯哥大学Yannis Pitsiladis教授在肯尼亚运动员高原训练研究中提供的原始训练计划,可以对能量极限训练手段(间歇训练,图1)作一解释。

图1 肯尼亚运动员的一种间歇训练手段

间歇时间固定、距离缩短、速度递增(高原,2×1 000 m,3×400 m,3×200 m)的间歇训练是赛季前的训练,这种训练手段被肯尼亚运动员称为“碎骨训练”。在上述训练方法中,极端代谢背景下,能量代谢速率动员被放在训练的突出位置,并且远远超出最大摄氧量的能量代谢范围。人体运动的极限负荷要求,使机体所有的能量源发生体系化应激反应(包括但不限于线粒体系统),以满足机体的能量供应需要,这就是“氧适应状态”环境保护机制的作用与意义[1]。能量代谢极限调适需求造成的氧适应状态保护机制的适应性进化,是促动氧功曲线左移的可能生理机制。所以,只有在系统“总功”约定的条件下,能量极限调适状态才可能发生,“总功”约定在训练实践中的操作,实际上就是系统表现目标成绩的物理值约定,比如速度、高度、长度,以及集体竞赛项目的量化对抗标准等(如中国乒乓球队多级赛事积分量化评估选择机制)。

在一个时间节点上,每名运动员的体重与力的输出水平是相对稳定的,运动时所做的功也是相对稳定的。比如2 000 m赛艇项目,假若成绩标准定为5 min 55 s,人员固定,艇与装备固定,则对应输出的总功(能量)也是固定的,其他项目均是如此。知道了“功”当然可以推算“功”所消耗的能量,而对做功加以时间限制就是功率表达。在时间限制的条件下,“功(能量)”的大小决定功率的大小,所以,竞技成绩的突破本质上是对运动员竞赛系统原有“总功”的突破。原有的“总功”不突破,成绩不可能突破,这就是“总功限制原理”,目标成绩与系统“总功”的界定与限制性关系,就成为训练设计与控制的核心问题。美国运动医学会的目标整合训练优化模型的最高阶段目标——最大功率优化训练,就利用了这一道理,目标总功最大功率实现后的优化训练,是竞赛目标成绩稳定训练的最高境界。力量训练在总功的标准下进行设计,总功代谢的训练标准能引起“氧适应状态”极限发展的重新定位,这样,系统“总功”才能发展,运动员的竞赛成绩才能提高。在动作力量训练中,如当年大松博文教练训练后女排运动员“100%尿蛋白”与“血尿”[2],2008年奥运备战韩国教练金昶佰训练后,女子曲棍球运动员CK 5 000 U/L、竞走运动员王浩(奥运第4名)训练后乳酸22 mmol/L[3]、香港自行车运动员李慧诗训练后乳酸大于25 mol/L,都是极限代谢与总功关系的实际表述。目前,功率控制在赛艇、皮划艇、中国自行车队等训练中应用较多,但对总功与系统功率约束原理,还需加大宣传及推广。

1.2 成绩、总功、能量的相互关系与训练约束

从爱因斯坦的质能关系公式中我们知道,确定成绩的动作链的功和相应的能量是等值的,运动成绩的物理值实际上是系统输出功的表达,可以称为系统的可测量外功。根据热力学原理,在人体能量代谢中,由于人体能量热机效率转换引起的能量散失问题,机械外功只占总能量输出的1/4左右,其余的3/4用以维持系统运动引起的细胞网络活动与热平衡调适,所以,竞赛时系统输出的外功实际上还包含3/4的体内能量需求。系统的总功包含了支持系统运动的全部能量需要与热量散失,比如细胞线粒体内外、肝脏、肾脏、脑细胞等的磷酸盐—糖—脂肪酸—氨基酸等多能量体系动态循环、体内化学与物理环境即时氧平衡反馈调适、稳态环境实时动态恢复及热量散失与平衡等。就现代竞技运动而言,功的测量机制较简单,功的生物能量转换原理却极为复杂。但无论如何,从竞技训练的逻辑需要——“目标成绩”表现的物理标准限制方面安排训练,就是目标“总功”约束的训练逻辑。在一般情况下,系统总功本身没有限制性,只有在竞赛目标标准确定的情况下,系统总功及其与能量体系之间的限制性关系才被确定,如图2所示。

图2 成绩、总功、能量的生物逻辑关系

人体做功的能量来源于细胞内能量物质进行的化学能转化。根据质能方程原理,质量和能量可以是同一个物理量的2种表示,运动竞赛的成绩量值对应于功的量值,功来源于能量,所以,功的量值等于能量的量值,确定的量值对应确定的功或者能量。正如美国运动生理学家福克斯所说“比赛的本质就是能量”[4]。

从图2可知,目标成绩对应的总功=能量。假若设定了竞赛目标,则目标成绩成为定值,由此形成了一个成绩总功与能量的关系式:成绩定态=总功定态=能量定态。根据质量—能量的互变关系,能量定态=成绩,能量变=质量变,由成绩可以推算功率,由目标功率可以推算目标表现所需要的能量。从训练逻辑上讲,改变目标成绩就等于改变能量定态,就等于改变总功,这样就提出一个训练成绩突破的原则性问题:能量不突破,成绩不可能突破;总功不突破,竞赛成绩亦不可能突破。因此,在竞技训练实践中,不与总功能量体系突破相关联的专项训练是不可能提高成绩的。如我国“119”项目训练实践中常见的负荷分级、长距离有氧训练、最大摄氧量标准训练、乳酸阈、心率红区控制训练等,表面上这些训练方法没错,但若标准不同,这些训练方法产生的训练效果可能完全不同。尤其当上述内容与目标总功要求不相关时,能量代谢标准始终低于目标总功的能量需求标准,并通过所谓系统训练成为训练过程能量标准的训练秩序,进而成为训练经验积累的主结构,其与发展竞赛目标系统总功的训练目的产生了逻辑上的根本矛盾。这可能就是我国竞技运动中部分项目成绩不佳的主要训练学原因之一。

2 总功约束对系统能量定位的限制性关系及其调适原理

前文根据爱因斯坦的质能关系理论,对竞技专项训练质量的“量”与“能量”的对应关系做了较为详细的分析。我们已经知道,对于确定了竞赛目标的竞技项目,在成绩标准确定的条件下,竞赛表现动作链所需的总体能量标准与动作链的能量分配关系已确定。在随后的训练中,教练员所能做的就是在竞赛节点的时间界限内,通过训练做到总功在动作链表现出最大功率与能量分配最优化,任何项目均如此。

2.1 总功与氧适应状态互动的调适机制

细胞依靠正常的生命环境而生存,为了保持生命环境的正常而进行各自的活动,一旦生命环境受到扰动,为了维持生命环境的平衡,所有相关细胞就会围绕平衡扰动而发生各种功能调适活动[6]。竞技训练这一长期的目的性活动,成为正常生命活动环境的扰动源,同时也是细胞生命环境与功能再调适的生物动力源。其中,能量需求“标准”成为生命状态再调适的临界值。当所有的细胞活动都围绕着“临界值”而调适的时候,机体内就会构成一个对应于目的性调适活动的细胞网络系统,这个系统由于“标准”驱动不但具有自组织的状态结构,而且具备相应“标准”所确定的能量体系。既然竞赛目标系统的总功和功率是确定的,那么,在标准固定的条件下,系统的热机效率与能量转化秩序也是确定的。运动训练就是通过经验训练过程中的神经反馈控制机制,最大化地促成生物能量转化效率的目标化发展。所以,总功与功率最大化发展的时间生物程式是训练计划的核心和主导,而力量训练的手段标准则是总功设计的前提条件。对于一个确定的个体而言,力量不突破,总功自然不可能突破。 一般情况下,能量储存及其神经动员的空间范围与绝对力量在时序训练过程中形成的功率表达定位有关,而爆发性力量则与神经动员的时间效率控制有关。在能量体系范围确定的条件下,速度保持能力(力量耐力)与能量需求速率及其稳态环境调适效率有关,动作链最大功率通过运动员的主观能动性、环境压力与能量基数上的针对系统环境稳态的实时正、负反馈动态网络关系而表达。

2.2 三磷酸腺苷体系能量比例分配与总功训练思维的再认识

需要注意的是,只有在总功约束标准固定的条件下,对人体的限制性细胞能量环境需求才能发生,而不是现行运动训练理论体系所提倡的人为地选择能量比例进行训练,如最大摄氧量训练、乳酸阈训练、分级控制训练等。这些人为分级训练活动的经验能量,形成每次训练课系统效应的即时定位,从而可能偏离系统总功能量环境。据此,总功目标训练能量代谢经验定态成为目标系统功率稳定秩序的生物逻辑基础,目标总功与功率最大化成为系统状态与细胞环境调适两元关系的训练控制依据,氧适应状态随着能量消耗的时序动态关系而自组织随动调适。传统竞技训练中的能量比例分配认识,是典型的从局部实验得出结论的还原论思维结果,但绝对不是竞技训练中运动人体能量供应的真实状态。在《运动生理学》[7]中,运动中“能量连续统一体”的概念清晰明了。客观上,人体真实的供能状态始终是与人体运动时负荷能量输出的需要相一致的动态调适。进行与负荷相一致的供能与环境平衡调适,是保障生命存在的基本原则。机械运动时的能量比例分配说法,与完成极端能量需求的多能量体系调适动员过程的生存原理与复杂性相矛盾,比如战斗和逃命的状态[8]。在某些特殊情况下,人体能量供应非常复杂。例如,在一些代谢旺盛的正常组织和肿瘤细胞中,即使在有氧的条件下,仍然以糖无氧酵解为产生ATP的主要方式,这种现象称为克莱布特里效应或反巴斯德效应。在具有克莱布特里效应的组织细胞中,线粒体中ATP酶系的活性较低,而糖无氧酵解酶系活性较强,因而导致氧化磷酸化减弱,以糖无氧酵解酶系产生能量为主。肿瘤组织快速生长,需要大量的能量和生物原料,即使在氧供应充分的情况下,由于总量需求大而自主性地转为糖酵解而非氧化磷酸化,表明细胞因生命活动需要而导致能量供应方式选择的自适应转化,以及细胞能量效应机制可依据环境需要而选择。

3 小结

在竞技训练中,为了实现目标系统表现最大功率优化与能量提升,首先须确定运动员个体化的系统表现的总功、运动员实际的总功水平,找出目标总功与实际能力之间差距的原因,比如爆发力不足、比赛后程降速、动作旋转速度不够等。在评估与分析的基础上,针对性地提出总功突破的训练方向,比如绝对力量、力量功率分布秩序、能量分布秩序等。在实践中,竞赛目标系统能量突破的前提是系统总功的突破,总功突破才能带来系统最大功率提升与优化,这些问题都与系统性绝对力量提高有直接关系(如深蹲、硬拉、10级蛙跳等)。绝对力量提高后的力量协同水平的重调,是总功提高的神经生物基础。课次训练的能量生物单元(负荷标准、总量与手段分配),训练节点间时序经验的生物能量单元循环与稳态调适循环(8～12周)(经验竞争定位),系统总功状态与系统目标态的单元差异与时间过程一致性要求,以及其与系统能量秩序迭代(板块与阶段)的时间关系,能量池的建设与能量极限效率训练等,都存在着复杂的生物关联,这些问题将在下文中进行表述。