人体运动科学经典研究方法的发展与应用

    众所周知，没有准确的研究方法，很难获得理想的研究结果。因此，作为运
动科学研究工作者不仅要掌握当今一些高、新、精、尖的研究方法，还应当对经典
的和传统的基本研究方法操作熟练，对其原理和理论背景有熟识的认知，这是运
动科学研究者不可缺少的基本功。
    本书特色在于，这不是一般的实验方法指导书(这种书已经很多)，而是作者
们在阅读了大量中外文参考文献的基础上，总结了自己多年应用的经验，对一些
在运动科学界常用的经典研究方法，阐明其发展的历史背景，以及该方法从医学
等领域嫁接到运动科学实验的过程，还对该方法的应用进行了评价，并留有一定
的空间，使阅读者回味。
    在加强科学训练方面，为适应2008年奥运会在北京的召开，本书可以使科研
教练对这些基本指标从理论上有更多的认知，在实践应用时能指导训练。我们相
信本书对运动训练的教练员和运动员也会有所帮助。
    限于我们的理论和写作水平，在编写过程中可能会有各种错误和不足，恳切
希望读者给予批评和指正。    
    杨锡让傅浩坚
    2007年6月
 序  一
    21世纪被誉为生命科学的世纪，生命科学自上世纪下半叶至今有了迅猛发展。
    20世纪50年代Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构、60年代遗传密码的破
    译、70年代Cohen和Boyer实现DNA的重组和转化奠定了现代分子生物学的基
    础、80年代Mullis发明的聚合酶链式反应技术(PCR)标志着生命科学的飞跃性
    发展，随后各种先进的研究方法和技术手段的创造与应用，大大推动着生命科学
    研究技术的发展。
    运动生理学属于生命科学的研究范畴，因此，人体运动科学的研究离不开生
    命科学的实验方法。在运动生理学研究方法的发展进程中，美国早期哈佛疲劳实
    验室使用的经典研究方法，有些在运动生理学研究领域仍沿用至今。
    随着科学技术的发展，现代运动生理学的实验研究方法从整体、系统、器官
    水平深入拓展到细胞、亚细胞、分子水平，探讨运动对机体各部分的功能及其内
    在联系的影响，注重运用整体观点从细胞和分子水平上探讨运动对机体功能活动
    影响的本质问题，为传统运动生理学继续深入研究赋予新的活力。
    当今生命科学发展已进入后基因时代，人体运动科学的研究需要从分子和基
    因水平深入探讨机制的同时，我们还必须认识从运动实践应用的角度探讨竞技运
    动和大众健身，为此，运动生理学经典的实验技术方法，仍然具有广阔的研究空
    间，对人体运动科学的研究仍有重要价值。本书正是要将这些经典的、具有很强
    实践指导价值的研究方法介绍给读者，这无论对大家的学术研究还是实践指导都
    有重要意义。
    这本书具有以下特点：
    1．理论与实践结合。在每种研究方法的讨论中，都介绍这种方法的研究历史、
  原理机制、评价讨论以及实际操作。
    2．可操作性强。每种研究方法都有详细的实验操作步骤及具体方法。
    3．应用价值高。在这些经典的实验研究中不仅介绍方法，而且介绍对实验结
  果的分析评价，方便研究者应用。
    本书的主编是著名运动生理学专家北京体育大学杨锡让教授和香港浸会大学
    傅浩坚教授，其他作者也是对人体运动科学研究有很深学术造诣和实践应用的专
    家和学者。他们在繁忙的教学及研究工作之余，完成这样一本高质量的著作，我
    谨向杨锡让教授和傅浩坚教授以及全体作者表示敬意。
    邓树勋
    2007年夏  于华南师范大学

第四章Ifil乳酸研究方法的发展-5应用
    血乳酸是体育科研界研究历史*长、应用*广泛的指标之一。自从20世纪五六十年代
  血乳酸被应用于体育界以来，血乳酸在阐明和了解训练的原理、制定和修改训练计划、调节
  和控制训I练强度、评定和预测训练水平方面作出巨大贡献，故乳酸有“训练标尺”之美称。
  目前，随着血乳酸测试方法的不断改进，特别是乳酸分析仪(尤其是便携式乳酸分析仪)的
  普及，血乳酸在运动中的运用越来越广泛。随着对血乳酸广泛和深人的研究，有关运动与血
  乳酸的一些经典理论(如无氧阈理论)受到了广泛质疑，运动产生乳酸的原因、乳酸在运动
  中的作用以及一些经典的乳酸测试与评价方法也不断得到修正和完善。本文旨在从血乳酸的
  研究历史背景、*新研究动态以及血乳酸的应用与评价几方面作以详细的阐述，为能够更好
  的理解运动与血乳酸的理论以及在运动训练中更好的应用血乳酸指标提供帮助。
    **节血乳酸的研究历史与研究进展
    一、血乳酸的研究历史
    1780年，瑞典化学家Carl Wilhelm Scheele首先发现了乳酸。Scheele是在酸奶中发现
  并分离出乳酸的，因此命名为乳酸(1actic acid)。实际上，乳酸的真正化学名称应该为2一
  羟基丙酸(2-hydroxypropanoic acid)。1808年，Berzelius发现动物疲劳的肌肉中产生乳酸，
  并且其浓度与肌肉的活动程度成比例。1810年，化学家证实在新鲜的牛奶、肉和血液中乳
  酸的存在。1833年，乳酸的化学式被证实。此后对于乳酸的来源等问题的研究一直处于争
  论阶段。1907年，弗莱彻和霍普金(Fletcher&Hopkins)报道肌肉疲劳以及缺氧导致乳酸的
  堆积，并且发现在有氧气存在的情况下堆积的乳酸可以消失，其研究成果为希尔(A．V．Hill)
  后来的“氧债学说”打下了基础。1920年，迈尔霍夫(Meyerhof)证实了糖原是乳酸的前
  体，这些成果标志着乳酸的研究进入一个新时代。1922年，迈尔霍夫和希尔因为在骨骼肌
  糖代谢能量转换方面作出的贡献双双获得诺贝尔奖。迈尔霍夫阐明了大部分的糖酵解途径
  (20世纪40年代初期，糖酵解途径完全被阐明)，并且证实乳酸是缺氧状态下糖酵解副反应
  的产物。希尔定量计算了肌肉在缺氧状态下收缩时糖转化成乳酸时释放出的能量，并认定肌
  肉在缺氧状态下或者肌肉收缩所需能量超过糖原氧化供能的能力时，糖原还可以通过转化为
  乳酸陕速大量的供能。其后，希尔又进行了一系列的实验，并建立了“氧债”学说。  “氧
  债”学说的基本框架是肌肉在缺氧状态下仍然能够收缩，而收缩后恢复期的额外氧耗是用来
  偿还无氧收缩时的氧亏。希尔的贡献在于证明了肌肉在剧烈收缩时存在快速供能的途径，而
 迈尔霍夫揭示了这条途径的生化过程并指出乳酸是这条途径的终产物。希尔等人的实验是在
缺氧条件下完成的，肌肉在缺氧条件下收缩产生乳酸并不表明乳酸的产生一定是缺氧造成
的。从19世纪30—70年代，乳酸一直被认为是肌肉在缺氧状态下收缩时糖酵解的终产物，
是形成氧债的主要原因，是肌肉疲劳的主要原因。20世纪50年代和60年代早期，霍尔曼
(Hollmann)及其同事开始使用血乳酸来监测心肺病人的运动强度。他们认为如果动脉血乳
酸稳定在一个固定水平，那么这种运动则是“纯正的有氧”。1964年，沃塞曼(Wasserman)
和迈克劳瑞(Mcllroy)提出“无氧阈(anaerobic threshold，AT)”的概念。和霍尔曼一样，
沃塞曼和迈克劳瑞的初衷也是为心血管病人找到一个安全的、持久的、有足够运动应激的运
动强度。1973年正式使用“无氧阈”这一术语。无氧阈被定义为“在递增负荷的运动中机
体由有氧代谢供能到大量动用无氧代谢供能的转折点”。无氧阈理论的基础是希尔的氧债理
论，即运动中肌肉缺氧。沃塞曼认为当心血管病人进行渐增负荷的运动时，到了一定的运动
强度，其供氧的能力不足维持肌肉的需氧量，此时肌肉缺氧而从有氧代谢转向无氧代谢，导
致乳酸生成增多和血乳酸的堆积，而此时的运动强度就是无氧阈强度。此后，无氧阈的概念
用于健康人和运动员并*终在体育界得到广泛应用。值得注意的是，无氧阈只是一个概念，
具体的强度判定要靠一些客观存在的观察指标，因此派生出很多概念来反映无氧阈，包括：
乳酸阈(1actate threshold，IJT)、通气阈(ventilatory threshold，VT)、个体乳酸阈(individu-
al lactate threshold，ILT)以及*大乳酸稳定状态(maximal lactate steady state，MLSS)等
等。沃塞曼提出的“无氧阈”概念的核心是运动中乳酸生成增多是由于肌细胞的缺氧造成
的。自20世纪80年代以后，很多的研究成果对无氧阈理论提小质疑。这些研究成果共同特
点是显示了缺氧并不是运动中乳酸生成增多和堆积的唯一原因，无氧阈的理论基础被动摇。
另外，以布鲁克司(Brooks)为代表的学者，通过大量的实验证实运动结束后，由于体温升
高、儿茶酚胺浓度保持高水平、CP(磷酸肌酸)的再合成、肌浆中钙离子的作用以及甲状
腺素和肾上腺皮质激素的作用等，都使恢复期的耗氧量大于氧亏，运动后过多的氧耗并不是
仅仅用来氧化乳酸、偿还氧债，因此对希尔的氧债学说提出质疑，并建议废除氧债学说建立
‘t运动后过量氧耗”的概念。近20年来，很多研究成果对一些经典的乳酸理论提出质疑，有
关运动与乳酸生成的关系也存在较大的争论，但主流的观点不再认为乳酸是一个代谢终产
物，相反，认为乳酸始终是一种活泼的能源物质。根据布鲁克司的“乳酸穿梭假说(1actate
 shuttle hypothesis)”，乳酸作为一种“重要的中介”在组织问、细胞间甚至细胞内部穿梭，
调节细胞、局部以及全身的代谢过程。乳酸的产生和消除是一个动态的过程，运动中乳酸的
产生并不是由于肌肉缺氧造成的，血乳酸的增多也不再认为是引起运动性疲劳以及延迟性肌
肉酸痛的罪魁祸首，甚至有观点认为，血乳酸的生成有利于缓解运动引起的代谢性酸中毒，
离体实验甚至表明，乳酸的增多可以通过抑制肌细胞外钾离子浓度的升高而对抗疲劳的产
生。总之，*近的研究成果与传统的乳酸理论产生了巨大的冲突，可以预见有关运动与血乳
酸这一古老话题的争论还将进一步进行下去。
二、乳酸的生化代谢途径
    乳酸的分子式为：CH3-CHOH-COOH；分子量(molecular weight)为89．0g／mol；溶于
水、酒精和乙醚；解离常数(pKa，37。C)为3．87；燃烧热(heat 0f combustion)为
321kcal／mol。
   乳酸代谢包括乳酸的生成及消除。一般来说，乳酸是糖酵解的终产物，而乳酸的消除却
有多条途径。
    在人体处平安静状态时，肌细胞内糖原或葡萄糖酵解过程生成丙酮酸和还原型辅酶I
(NADH+H+)。其中大部分丙酮酸和NADH能进入线粒体氧化脱羧生成乙酰辅酶A，再进入
三羧酸循环生成二氧化碳和水，只有少量丙酮酸和NADH在细胞质内的乳酸脱氢酶(肌型
LDH5)催化下，生成乳酸再生的NAD+重新参加糖酵解过程(如图4-1所示)。所以，安静
时，正常人体内肌乳酸含量约为1mmol／kg湿肌。    
    在安静条件下，还有一些组织和细胞，仍能进行糖无氧代谢以获得部分或大部分能量，
如皮肤上皮细胞、视网膜、睾丸、肾上腺髓质、成熟红细胞，白细胞等均进行强烈的糖酵
解，其中尤以皮肤中的糖酵解速度*快。而成熟红细胞几乎全靠糖酵解获得能量。这些组
织、细胞以及上面所提到的骨骼肌内的乳酸，均可迅速进入血液，成为血乳酸，所以，在安
静状态下，血乳酸总是保持一定的水平。据文献报告：正常人在空腹、休息时动脉血乳酸值
为0．4～0．8mmol／L；空腹、休息时静脉血乳酸为0．45-1．30mmol／L，全血和血浆中乳酸的浓
度也不同，红细胞液中的乳酸浓度为血浆浓度的73％。红细胞占细胞容积的2／3，即血细
胞比容值正常时，全血乳酸浓度比血浆乳酸浓度约低33％。
    运动员在安静时血乳酸水平和正常人并无差别。运动员在比赛期、赛前或大运动量训练
期，血乳酸的安静值可比平常训练时高，如摔跤运动员在比赛期开始时晨安静血乳酸值为
1．00mmol／L。在赛期中的赛前安静时可升至2．96mmol／L，这是由于赛前紧张，儿茶酚胺类
物质分泌增多，使糖酵解加强的结果。大运动量训l练后或比赛后，运动员的机能下降时血乳
酸的安静值也明显高于平时安静值，且与疲劳的程度有关，所以，乳酸的安静值也可反映运
动员的机能水平及赛前竞技状态等。