高温环境下运动对机体生理代谢的影响综述

王加猛（通讯作者） 牟新彦 张传童

（1.海南医学院 海南 海口 571199；2.冠县一中 山东 聊城 252500；3.山东临朐城关初级中学 山东 潍坊 262600）

绪论

海南岛地处热带北缘，是我国唯一的热带地区属热带季风性气候，赋有天然的大温室之美称，年平均气温22℃-27℃。随着2018年4月海南省自贸区的建立，海南省的各行各业蓬勃发展的同时，也带动了休闲体育产业，及各类运动康复类项目日益发展，为海南经济的发展注入一股新的力量。为了更加科学性的指导热带环境下的体育运动，我们要研究在高温下运动对机体生理代谢的影响，以确保广大运动爱好者在参与热带体育项目时，能够获得更科的运动指导，获得更加舒适的体验，和更加健康的体魄。首先我们需要了解在高温环境下运动时，对机体的心血管系统，能量代谢与体液的影响，从而做到在运动时，对不利因素进行科学化的应对，对有利因素加以利用，从而更加科学化的指导热带体育运动。

1、高温环境下运动对机体生理反应

在冷热环境中，长时间运动时，体温会维持在36.1℃-37.8℃之间。运动会使机体产生大量的热，在低温环境下运动时，有利于体内热量的散出，更有利于维持正常的体温；然而在高温环境下运动时，则不利于体内热量的散出。运动者在高温下运动时，身体就会因体温高于正常体温，而出现一系列的生理性变化，进而会影响运动者的运动能力和运动效果。运动者在高温下运动时，主要会影响心血管系统、能量代谢、体液等方面。

1.1、对心血管系统的影响

运动者在高温下运动时，为了维持正常的体温，会给循环系统带来一定程度的负担。心血管系统会把运动时肌肉产生的热量传递到皮肤，从而通过皮肤把热量散发于外界环境中。热环境中运动时会有一部分的心搏出量作用于皮肤和运动的肌肉之间，来维持体内热量的散发。由于血液总量是恒定的的运动时会出现比较复杂的问题，例如，向一个特定的部位输送的血液增加的同时，向其他部位输送的血液就会减少。

因此，以短跑为例，运动时来维持肌肉的迅速收缩和舒张，血液就会为肌肉收缩提供更多的能量，此时心率就会加快（如图1），血液循环速率也随之加快，大部分血液都流向肌肉，而流经皮肤组织细胞的血液流量就会减少，从而妨碍了机体肌肉热量的散发。在此同时，体温调节中枢，为了更多地将温度较高的血液输送到皮肤来达到散热的目的，就会刺激心血管系统，这时皮肤的血管就会出现膨胀。也就会限制维持肌肉活动所需血液输送量，导致供给骨骼肌的能量减少，肌肉持续收缩能力力也会随之下降。此时，向肌肉运动输送的血液量与保障体温调节所需的血液量就会相互限制，从而降低了骨骼肌的持续收缩能力，导致运动能力下降。

图1 热环境（温度40℃，湿度15%），凉爽环境（温度9℃，湿度55%）下的心率变化

图2 热环境（温度40℃，湿度15%），凉爽环境（温度9℃，湿度55%）下的氧气消耗量变化

1.2、对机体能量代谢的影响

在Fink等人的研究中，除了体温和心率上升之外，高温下运动要比低温下运动，肌糖原的消耗更高，产生的乳酸更多，消耗的氧气量也会随之增加（如图2、3、4）。在环境温度为40℃时，做反复性运动时，被试者的心率和耗氧量，要比在温度为9℃时有更高的值出现。因此，表明在高温环境里运动时，心血管系统会承受更高的负荷量，心率随之大幅度上升。还会伴随着汗液的生成与呼吸频率的增加，需要消耗更多的能量和氧气。在高温下运动时，流向肌肉的血液的供应量减少，为肌肉提供的氧气减少，会消耗更多的肌糖原，产生更多的乳酸。因此，这也就是在高温下运动导致快速疲劳的原因。

图3 热环境（温度40℃，湿度15%），凉爽环境（温度9℃，湿度55%）下的学乳酸含量变化

图4 热环境（温度40℃，湿度15%），凉爽环境（温度9℃，湿度55%）下的肌糖原含量变化

1.3、对体液的影响

当周围环境温度接近或超过皮肤和体内温度时，通过蒸发来散发体表和体内的热量的方式占据了主导作用。通过辐射、对流、传导已经不足以有效性地散发掉体内所产生的热量。事实上，在极端的高温环境下，通过辐射、对流、传导不但不能够散发体内的热量反而会使体温升高。因此，若通过体表蒸发散热量，汗液的分泌量就显得尤其重要了。

汗腺分泌汗液是通过下丘脑的刺激来进行调节的。当血液温度上升，下丘脑就会通过交感神经纤维来对分布在人体数百万个汗腺发出指令，汗腺就会分泌出大量的汗液。

汗液会在汗腺的分泌片段上产生，通过过滤的汗液在汗腺管排出的同时，甘氨胆酸钠和氯化镁会慢慢地被周围的组织所吸收再次回到血液当中。在轻度出汗的状态下，过滤的汗液就会慢慢地经过周围组织，甘氨胆酸钠和氯化镁能重新被吸收回到血液当中，由于汗液分泌速度慢，因此，甘氨胆酸钠和氯化镁几乎完全被吸收回血液中；在轻度出汗的状态下，流失无机盐的量是非常少的。但是在剧烈运动时，汗液的分泌量增加，分泌速率加快，过滤并重新吸收回血液的时间就会减少，因此，汗液被重新吸收回血液中的无机盐就会大量减少，随着汗液排出体外的流失量增加。

如表1所示汗液中无机盐的流失量经过训练的人和没有经过训练的人是由一定差异的在反复训练时，热量的反复性释放和醛固酮对汗腺的强化性刺激，甘氨胆酸钠和氯化镁再吸收的量就会增加。但是对于其他汗液中的电解质不具有重新吸收的功能。

表1 经过热环境锻炼和没有经过热环境锻炼的男女汗液排出的钠离子，氯离子，钾离子浓度的差异

在热环境中做高强度的运动时，身体的1m2的体表面积，每小时会生成1升的汗液。在湿热的环境下，体重为50kg-75kg的人每小时的汗液分泌量为1.5L-2.5L。人体最大限度的一天的汗液分泌量在10L-15L左右，无机盐的流失量约占总出汗量的2%-5%。在这种环境下运动，人体很快就会出现脱水的危险。

汗液快速分泌会导致血液总量减少。为了保证肌肉的血液供给量，来防止热量的持续累积，为肌肉提供能量的血液量就会受到一定的限制，此时，就会降低最大的运动能力，特别是耐力性项目最大运动能力会显著降低。马拉松选手运动时，无机盐能占到总汗液流失量的6%-10%。如果脱水严重，汗液的分泌就会受到限制，很容易使人患上热性疾病。

汗液中无机盐与水分大量流失，就会引起体内的醛固酮和抗利尿激素分泌。醛固酮能维持体液中的甘氨胆酸钠在一个适当的浓度，而抗利尿激素能维持体液中水分的平衡。在严格意义上讲，醛固酮会使血液中的甘氨胆酸钠浓度下降，血液流量减少，血压降低，和带来相应的刺激反应的同时，引起肾上腺皮质激素分泌。在高温下，进行反复几天的运动，在运动时而这种激素会限制肾脏的甘氨胆酸钠的排出，将更多的甘氨胆酸钠留在身体中，来维持体内水分的平衡。因此，血浆与细胞间的液体含量会增加10%-20%。这样的变化，高温下运动会使体内的水分与甘氨胆酸钠得到有效的维持。同样，运动与体液的流失，抗利尿激素的分泌，也会使脑垂体后部受到刺激。抗利尿激素就会促进肾脏对水分的再吸收，这样体液中水分就会增加。因此肾脏就会减少小便的排量，来使人体通过出更多的汗来降低体内的热量，维持人体体液水分与无机盐的平衡。

2、环境下机体运动适应的判定

我们怎样才能在高温环境下，进行长时间的持续性运动？在高温环境下训练的话是否能承受住机体产生热量所带来的压力？带着这些疑问我们进行了大量研究，结果如下。

2.1、热环境对机体运动的影响

长时间在高温环境中运动训练，身体的散热能力就会逐渐地提高，中暑发生的可能性也会大幅度降低。这样的现象称之为热适应，不仅是从血液循环与汗液的分泌两个生理层面上来说，身体其他层面的生理适应能力也会得到提升。热适应并不是以运动时产生汗液的总量来衡量的，但确实是通过皮肤排出大量的汗液，使人体内的热量能得到更高效性的散热。运动开始的时候，已经对热适应的人，皮肤会迅速出现汗液，可以迅速地将产生的热量散发掉，皮肤的温度也变得较低。这样一来，体内的温度和皮肤温度与周围环境温度之间就会出现温度差，这样体内热量就更容易散发，因此，向皮肤传递热量的血液的流量就会有所减少，就会有更多的血液流向骨骼肌以满足对运动的需求。在高温下热适应时的汗液浓度就会変稀，人体的无机盐也就能得到有效性的储藏。在特定运动强度下训练和进行体育活动时，人体的散热能力会得到提升，那是因为适应了高温下运动时，人体温要比没有适应了高温下运动时，人的体温要低（图5）。在高温下训练后，在以相同运动强度进行运动时，热适应的人的心率要比没有热适应人的心率要低（图6）。出现这种差异是因为机体的适应就是机体总血液量增加，流向皮肤的血液量减少的原因，这两个方面的原因会使心脏的每回心搏出量增加。有些研究者还提出，这样热适应后，不仅使人体的总血液量就会增加，而且尽最大限度的有效的保存了机体的无机盐，血浆的含量。

图5 热适应和没有热适应人运动时体温的差异变化

图6 热适应和没有热适应人运动时心率的差异变化

而且在热适应以后，机体感觉疲劳或力竭之前，要比没有热适应之前能够做更多得功。相同的运动量在热环境下要比低温环境下运动时，会消耗更多的肌糖原。机没有热适应之前，连续几天在热环境中训练，肌肉中的肌糖原含量机会减少，会引起慢性疲劳。热适应之后，肌糖原消耗量会减少到原来肌糖原消耗量的50-60%，从而大大降低了慢性疲劳产生的可能性。

2.2、热环境下运动适应的判定

热适应的判定是由环境条件，在热环境里运动的时间，人体热量散失的速度、运动强度三方面条件决定的。根据大量研究发现，运动者要想在热环境下，提高运动能力首先要进行热适应训练，必须在热环境下进行实际的训练，而不是单纯的身体处于热环境中。

不单单是在热环境中，运动者能得到最大的适应效果，就是再重新返回凉爽的环境里运动时，对身体产生的热量的散失能力起到很好的作用。这样就会有更多的血液流向骨骼肌，提高运动能力。热适应能提高竞技运动能力，降低生理性的压力大大降低了热性病的发病率。

在一般情况下，运动者在热环境下训练5-10天，每天运动1小时，就会达到热适应，最初几天为了克服热对身体带来的负荷，运动强度要降低到60%-70%。这样就可以最大限度的降低和预防选手中暑的几率。在运动时，要补充大量的水分以维持体液的平衡。心血管系统一般在3-5天就会出现适应的现象。而汗液分泌一般要在10天左右才能得到适应。

3、结语

在高温环境下运动时，机体为了把内部热量排出体外，大部分血液会参与散热，导致流向骨骼肌的血液流量减少，进而影响肌肉的持续收缩能力，运动能力下降；心率也会随之加快，会给心血管系统带来更大的负荷压力。热环境运动适应后，心率会减缓，流向肌肉的血液会增加，为骨骼肌的运动提更多的供能量。初期在高温下运动时，由于帮助机体散热，机体内的肌糖原会被大量消耗掉，引起慢性疲劳。热环境运动适应之后，肌糖原消耗量会减少到热环境为适应时的消耗量的50%-60%，从而大大降低了慢性疲劳产生的速率。在高温下，进行反复几天的运动训练，会使机体的散热效能得到提高，不但能保障更多的血液流向骨骼肌，而且还能有效的减少体内水分和无机盐的流失，从而降低了在热环境下中暑的可能性性。因此，在热环境下训练指导，在一般情况下选手在热环境下训练5-10天，每天运动1小时，就会达到热适应，最初几天为了克服散热对身体带来的负荷，运动强度要降低到60-70%。这样就可以最大限度的降低运动者中暑的几率。在热环境运动时，要补充大量的水分以维持体液的平衡；心血管系统一般在3-5天就会出现适应的现象；而汗液分泌一般要在10天左右才能得到适应。

4、展望

通过以上论述对高温下运动者的生理性影响和对运动者热适应判定的论述可知，通过对运动爱好者和运动选手的心率、体内核心温度、氧气消耗率、血乳酸、肌糖原、分泌汗液体积及无机盐的浓度等可测量性常规生理指标进行测定，建立热带环境下运动生理性数据库，建立热带训练指导体系。科学化的制定对热适应的训练与营养摄入的科学化数据体系，降低热带病症与训练不适，带来的危险事件的发生概率，让运动者和选手，能更加快速有效的融入热带运动和训练中，确保在参与热带环境运动时，自身安全性和自身运动效果的可靠性。