燃烧吧,能量

第8章 寻找人类耐力的极限：能量的永动机 布莱斯·卡尔松三十几岁了，身材颀长，脸上总是挂着大大的笑容。他看上去很健康，是那种每天早起后先运动再开始工作的人。不过，他的身材也没好到让人想在公司派对上多看他两眼。他偶尔会在午餐时提起*近在为参加某项马拉松比赛而进行训练。如果让他参加公司的5 000米跑，那他肯定是夺冠的大热门，但他可不像那种厉害到能创造世界纪录的人。 但是，人不可貌相。 2018年6月20日早上，在纽芬兰岛奇地维地港的岸边，卡尔松又用他惯常的笑容向一小群当地人和记者告别。他看了看表——早上8点。随后，他握住碳纤维材质的船桨的把手，往后一划，船体的重量通过反作用力传递到他肩部和背部的肌肉。这艘船的名字叫作露西尔。与其说露西尔是划艇，不如说它是带着桨的太空飞船——卵形的船身、精巧的船舱与船舷融为一体。卡尔松划船的地方也不是人们去野餐的无名小湖。他要向着北大西洋进发，向世界纪录发起冲击。卡尔松打算横跨大西洋，独自划过2 000多英里的海面，到达英格兰南部锡利群岛的岸边。 即使船上装备着GPS等各种现代化工具，这趟航行也绝非易事。历史上曾有14人挑战横渡大西洋，其中只有8人成功了，还有两人消失在北大西洋冰冷的暗夜中，尸骨无存。卡尔松的目标不仅是成功横渡大西洋，而是创造凭人力*快横渡大西洋的世界纪录。卡尔松和露西尔只有53天的时间。 一路上，麻烦的事情不断。旅程开始没多久，用于提供淡水的主要脱盐设备就坏了。船翻了几十次，盐水渗进了电子系统，导航设备被烧坏了。但这些对卡尔松来说都不算什么。8月初的一个周六傍晚，天色有点儿阴沉，露西尔停泊在锡利群岛的圣玛丽港口，卡尔松上岸。几百名观众聚拢到一起，目睹了这位新的世界纪录创造者的诞生。卡尔松用时38天6小时49分钟就完成了这项挑战，让原来的世纪记录沉入了水底。 这趟旅程的代价不菲。卡尔松每天吃下4 000~5 000千卡热量的食物，但他的消耗远多于此。虽然他每天的能量摄入惊人，但还是会消耗625千卡的脂肪和肌肉，到达目的地后他的体重比出发前少了15磅。算上饮食摄入和身体消耗后，卡尔松平均每天要消耗5 000千卡能量。 尽管卡尔松独自在海上航行，但他的代谢系统仍在正常工作。其他耐力型运动员的每日能量消耗也很惊人。环法自行车赛选手的赛时每日能量消耗为8 500千卡，而铁人三项选手只需要12小时就能消耗掉同等的能量。麦克·菲尔普斯在奥运会上赢得了23枚金牌，据说他训练期间每天要吃下12 000千卡热量的食物。这些运动健将的身体状况似乎在挑战有限能量消耗理论，我们的身体真的能把每日能量消耗维持在2 500~3 000千卡吗？本章将会解开人类能量消耗极限的谜题，我们会看到有限能量消耗理论如何为极限运动设定能量消耗的天花板。你不需要成为超级运动员才能去挑战极限，问问你的母亲就明白了。 时间问题 你能跑多快？回答这个问题无须思考。你的跑步速度取决于你的跑步动机，比如，你是在打垒球还是有狮子在追你。速度也很重要，全力冲刺50米没问题，但如果你想跑上1英里，速度就得慢下来了。我们的跑步速度总是介于全速短跑和慢速长跑之间，大多数人还在学校追跑打闹的时候就已经明白这个道理了。 毋庸置疑，运动时间决定了耐力的大小。不过，造成生理疲劳的原因就不那么显而易见了，运动学家和生理学家仍在就身体极限的原理争论不休。有一点很明确，跑步跑到极限跟开车烧光汽油不是一回事。事实上，大脑会从身体各处整合信号，比如肌肉代谢副产物、体温、主观感知的难易度和预期剩余消耗，所以这些都会帮助大脑决定我们可以对自己有多狠。当你筋疲力尽地倒下时，其实是大脑命令你停下来。整个过程不是你能完全自主决定的，跟下丘脑调控饥饿感和代谢率一样，决定耐力和疲劳的神经系统位于大脑深处的潜意识中。 20世纪90年代，关于耐力和疲劳的神经学原理还饱受争议，但随着证据的增加，人们的认识变得逐渐清晰。**，无论是实验室研究还是生活经验都告诉我们，哪怕你累到不能动弹，身体里还是有充足的营养可供使用。肌肉再劳累，它里面还有足够的腺苷三磷酸，血液里也有不少葡萄糖和脂肪酸在流动。跑步运动员在撞线时体能达到极限，先休息一会儿之后又能微笑着绕场慢跑一周。第二，疲劳的神经机制能解释情绪和感知对运动表现的影响。世界级马拉松选手能在极限状态下坚持跑两个小时，接近终点时他们还能加速，这表明决心和毅力可以激发出更多潜力。反过来说，实验室研究也发现，精神疲劳会降低耐力。所以，优秀的运动员和教练都知道，在比赛前调整好心态是多么重要。 大脑对疲劳感的干预可以解释能量消耗和耐力之间的关系（见图8–1）。第3章讲过，跑步速度越快，能量消耗得也越快。两者之间呈线性关系，也就是说，如果你的速度加快10%，能量消耗的速度也会提升10%。这跟汽车引擎没什么区别：汽车速度加快10%，耗油量（或耗电量，如果你开的是电动汽车）也会提升10%。不过，代谢引擎和汽车引擎存在着根本性差异。速度无法决定汽车能开多远，决定汽车行驶距离的是油箱或蓄电池的容量。但人就不一样了，人的跑步速度对跑步距离起着决定性作用。如果你跑1英里的比赛，你可能在消耗了100千卡能量后就会感到精疲力竭。但如果你跑的是马拉松，你可能在消耗了2 600千卡能量后才会产生同等的疲劳感。虽然我们的主观感受是“精疲力竭”，但我们的身体并不会因为能量耗尽而停下来。所以，运动强度才是决定耐力大小的关键因素。 速度影响疲劳感的原因之一在于，能量供应方式发生了改变。当我们休息或做低强度运动（比如读书或在公园散步）时，身体主要靠燃烧脂肪供应能量。这从生物策略方面来说很合理：脂肪储存的能量几乎是无限的，虽然脂肪转化成腺苷三磷酸需要更长的时间，但因为能量消耗低，我们也不需要更快的能量供应方式。当运动强度提升时，葡萄糖就会开始供应能量。有的葡萄糖是从血糖中获取的，有的来自肌肉中的糖原。与脂肪相比，葡萄糖即使是从糖原转化而来，速度也更快。因此，当锻炼强度增加、能量需求增大时，葡萄糖可以为肌肉提供充足的腺苷三磷酸。 高强度运动对葡萄糖的依赖程度相当高，因此运动员会在赛前大量储存糖原，并认真规划赛时的饮食。如果碳水化合物耗尽，运动员可能会行动迟缓、身体虚弱，这是因为他们只能通过转化速度慢的脂肪来获取能量。我们可以通过训练来调整身体消耗葡萄糖和脂肪的比例。有些运动员会在碳水化合物耗尽的情况下进行训练，这样身体就会燃烧更多的脂肪而节约珍贵的葡萄糖。但是，运动员能从脂肪中获取的能量是有限的，真到比赛的时候，人人都得靠碳水化合物。 如果跑步速度继续加快，能量消耗随之增长，就算葡萄糖供应充足，线粒体也无法以足够快的速度制造腺苷三磷酸，这个临界点叫作*大摄氧量，也就是有氧运动的极限。如果我们在实验室里监测耗氧量，你会发现，一旦到达这个临界点，即使你的运动量继续加大，耗氧量也不会继续增加。你在这个状态下坚持不了多久。 当有氧运动产生的腺苷三磷酸用尽时，肌肉就只能依靠无氧代谢来供应能量了。无氧代谢会导致血液中的二氧化碳含量升高，pH值（酸碱值）也会上升。细胞内的葡萄糖会分解成丙酮酸盐，被线粒体转化成乙酰辅酶A，然后进入克雷布斯循环，*终形成大量的腺苷三磷酸（见图2–1）。不过，丙酮酸盐进入线粒体的道路会很拥堵，被挡在外面的丙酮酸盐会转化成乳酸。这时，你的肌肉感到酸痛，大脑深处有个低沉的声音说：“要不要先歇一会儿？”这个声音会越来越大，*后变成严声喝令：“你再动一下试试？”直到你的速度慢下来或完全停止运动。 能量消耗与*大摄氧量的关系只是影响耐力的诸多因素之一，但它至关重要。当运动员达到*大摄氧量时，其耐力会骤降（见图8–1）。世界级马拉松选手能在达到*大摄氧量的情况下坚持跑两个小时，速度为每英里4分42秒。如果把速度加快5%，即每英里4分28秒，运动员能坚持的跑步时间就得减半。一旦运动员的运动量超过*大摄氧量，无氧代谢发出的信号就会传递给大脑，大脑会在身体出现损伤之前让身体停下来。身体对无氧代谢的依赖度越高，耐力临界点到来得就越快。 我们的代谢机制塑造了耐力型运动不为人知的一面。马拉松比赛的精彩之处就在于，运动员全程都在*大摄氧量的临界中点附近跑步（见图8–1）。每位选手在感受自己身体极限的同时，也在观察对手的状态，找时机战胜他们。*大摄氧量让短跑比赛变成了一场血战，运动员试图找到耗氧量和痛苦程度之间的平衡点，在身体崩溃之前尽快到达终点。 话说回来，田径比赛的时间相对短。即使是马拉松比赛，不少选手也能在3小时之内完成。有没有时间超长的比赛项目呢？比如你带着几只狗计划用3个月横跨南极洲，结果你的食物掉到了深不见底的冰缝里，你只能含泪把你的狗一只只宰杀吃掉，然后绝望地回家？这种情况的确很少见，但越来越多的科学家开始跟踪研究像卡尔松这样的极限运动选手，旨在找到人类的运动极限。他们的研究成果改变了我们对代谢系统的认知。 耐力的极限 尽管他的北大西洋之旅让世界瞩目，但这并不是布莱斯·卡尔松路程*长的探险。在此之前，他还横跨过大陆。 2015年1月16日早，几十名勇敢的跑步选手聚集在加利福尼亚亨廷顿沙滩上。他们脚下是黄沙，背后是太平洋。卡尔松也在其中，跃跃欲试。有位来自福蒙特州的男士名叫牛顿，当天是他的73岁生日。不过，选手们不是来这里开生日派对的，而是参加跑步穿越美国的比赛。 早上8点，他们从加利福尼亚南部的一座城市出发了，迈开轻快的步子一路向东。下午还没过完，他们一行就已经跑完一个全马的距离了。当天的目标达成了，他们在终点线前搭建了临时营地，准备养足精神，第二天继续前行。所有参赛选手（包括卡尔松和牛顿）每天都要跑一场马拉松，每周6场（有时是7场），持续140天。他们要跑完3 000英里，穿越美国南部的沙漠和得克萨斯州的山川平原和卡罗来纳的森林，一路向北，*终到达华盛顿特区的白宫。 我们有幸受到这次比赛的组织者达伦·范索瓦和桑迪·范索瓦夫妇的邀请，和许多科学家一起参与了这趟旅程。卡尔松当时是普渡大学的教授，也是参赛队伍中的核心成员。他很有先见之明，建议邀请研究者参与到比赛中来，范索瓦夫妇欣然同意了。在这项赛事正式开始的一年前，在一场人类学会议上，卡尔松问我想不想测量跑步选手的每日能量消耗。那是我**次见到卡尔松，也是**次听说这种比赛，当时我觉得他肯定是疯了。去测量为期5个月、横跨整个北美、全长3 000英里的跑步比赛？这简直不可思议！我立刻就同意了。 我、拉腊·杜加斯和实验室的前博士生察拉·奥克珀科一起制订了一个计划。我们测量了跑步选手赛前的每日能量消耗和基础代谢率，并在比赛开始时和结束时再分别测量一次。我们将获得两大类关键信息。**，我们得到了有关运动极限的可靠数据，这可是无价之宝。第二，我们比较了比赛开始时和结束时选手的每日能量消耗，用于计算能量补偿。跑步选手的身体能适应如此巨大的能量消耗吗？他们的身体会减少其他活动的能量消耗，用于补偿运动的能量需求吗？ 有6名选手同意参与我们的代谢研究。凯特琳·瑟伯是我实验室里的一名研究生，她负责用双标水法实地测量选手的每日能量消耗。她在比赛的起点（加利福尼亚州）进行了**次测量。5个月后，她又在比赛的终点（弗吉尼亚州）进行了一次测量。 瑟伯的努力获得了激动人心的研究结果。在比赛的**周，选手的每日能量消耗与我们的预测完全一致，每天增加了跑一场马拉松的能量消耗，即2 600千卡。身体无法在一周内完全适应新的运动量（每天比平时多跑一场马拉松），因此，我们只需要将跑马拉松消耗的能量加总计算。卡尔松和其他选手的每日能量消耗达到了6 200千卡，令人震惊。 但是，140天后比赛结束时，他们的身体发生了变化。尽管运动量还是惊人地大——每天跑一场马拉松——但他们的每日能量消耗已经骤降到4 900千卡，比**周减少了20%。其中一部分原因是东部的山地起伏不像西部那么大，还有一部分原因是因选手的体重在比赛过程中有所下降，身体负荷减小。不过，每天仍有600千卡的能量似乎凭空消失了，他们的代谢系统减少了其他器官的能量消耗，使每日能量消耗保持在相对稳定的水平上。当然，跑马拉松的能量消耗实在太大了，以至于超过了代谢系统的调控能力，因此到了比赛的*后几天，选手的每日能量消耗仍然很高。 另一个有趣的研究结论是，选手的基础代谢率在比赛前后几乎毫无变化。拉腊·杜加斯发现，能量补偿对基础代谢率没有影响。减少的那部分能量消耗并非来自基础代谢，而是来自活动能量消耗。这听起来令人难以置信，每天的运动量不变（每天跑一场马拉松），但活动能量消耗居然下降了。在运动量如此大的情况下，活动能量消耗怎么还会减少呢？ 一个可能的原因是，人们会减少“非运动性活动产热”（英文简写为NEAT）。也就是说，人体会在不知不觉间减少需要消耗能量的微小活动，比如颤抖，以保证留下足够的能量用来运动。这个观点很有意思，也有助于解释能量补偿，但证据并不充分。埃德·梅兰松等人发现，大多数研究都认为非运动性活动对能量消耗的影响微乎其微。而且，很难想象穿越美国大赛的选手仅靠少抖腿每天就能节省下600千卡的能量。 另一个可能的原因是，活动能量消耗的范围要大于体育运动。人体遵循一种有规律的节奏：静息代谢（器官工作时的总能量消耗）每天就像过山车轨道一样有规律地起伏，它在傍晚升至顶峰，在清晨降到谷底。这也是我们要在早上测量基础代谢率的原因。如果我们只是简单地从每日能量消耗中减去基础代谢和消化消耗的能量来估算活动能量消耗，就会忽略静息代谢的能耗波动，错误地把这一部分归类到活动能量消耗里。但事实上，增加运动量并不会降低静息能耗的底线，而是会抹平能量峰值。因此，能量补偿看似来自活动能量消耗，但其实所有活动都会减少，比如抑制免疫、生殖和压力反应。这是一个热门的研究领域，我的实验室也在探索这些问题。 能量极限就是运动的极限 我很好奇，穿越美国大赛和其他耐力型比赛相比，选手们的每日能量消耗会有什么差别。我找遍了极限运动的代谢数据，比如铁人三项、100英里终极马拉松、环法自行车赛、南极徒步、军队远征等。我还找到了超长距离跑步比赛的每日能量消耗数据，比如24小时极限长跑，以及为期46天、全程2 200英里的阿巴拉契亚山脉长跑。但我找不到比穿越美国大赛时间更长的比赛，我能找到的每日能量消耗*高、时间*长的活动也只有怀孕了。女性的孕期长达9个月，妊娠末期的每日能量消耗多达3 000千卡。