醫學

從肌肉認識運動員

運動場上的較量,除了比運動技巧,人體的肌肉是決定運動員耐力與爆發力的關鍵。肌肉的特質是天生的嗎?藉由後天的訓練,可否彌補先天不足之處?

撰文/楊嘉慧
審稿/謝伸裕(台灣師範大學運動科學研究所教授)
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醫學

從肌肉認識運動員

運動場上的較量,除了比運動技巧,人體的肌肉是決定運動員耐力與爆發力的關鍵。肌肉的特質是天生的嗎?藉由後天的訓練,可否彌補先天不足之處?

撰文/楊嘉慧
審稿/謝伸裕(台灣師範大學運動科學研究所教授)
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 2008年8月來自世界各國最優秀的運動員聚集北京,經過了兩個多禮拜的精彩競賽,第29屆奧運圓滿落幕。這些來自世界各國最優秀的運動員,齊聚北京展現人體力量、速度與耐力的極限,例如舉重選手可以瞬間爆發出強大肌力,挺舉起重達200多公斤的槓鈴;短跑選手不到10秒即可衝破百米抵達終點;長跑選手則與對手較量長時間的續航力。瞬間爆發型與耐力型選手的肌肉有何不同?肌肉大小是否決定了體能的持久程度,或是速度上零點零幾秒的差距?


運動員的耐力與爆發力除了受先天影響,也與後天訓練有關。(影像來源:http://www.sxc.hu)


爆發力與耐力先天註定


 在解開謎團之前,先認識人體肌肉的構造。肌肉分為平滑肌、心肌與骨骼肌三種,負責肢體運動與維持身體姿態的是骨骼肌。人體約有700餘塊骨骼肌,都是以兩端的肌腱附著在不同的骨骼上,藉由收縮來完成動作,每一塊骨骼肌是由多條肌束組成,肌束裡有好幾條圓柱狀的肌纖維(即肌肉細胞),肌纖維裡還充滿更小的肌原纖維(myofibril),它又是由一排排稱為肌節(sarcomere)的可收縮單元組成。當肌節集體變短時,肌纖維就會收縮,牽動骨骼而產生動作。


運骨骼肌是由好幾條肌束構成,肌束裡有肌纖維,肌纖維外形呈圓柱狀,與一般細胞不同,主要是許多小的肌原纖維構成,而肌原纖維又是由一排排可收縮的肌節所組成,當肌節集體收縮,便會牽動骨骼。(電腦繪圖:姚裕評)


 肌肉收縮時,並非同一塊骨骼肌的所有肌纖維同時收縮,運動神經會依照動作所需,控制收縮的肌纖維數量與類別。肌纖維可分為慢縮纖維(slow-twitch fiber)與快縮纖維(fast-twitch fiber)兩種,慢縮纖維收縮速度慢,產生拉力小,但不易疲勞,一般走路用到的絕大部份是慢縮纖維;快縮纖維收縮速度快,可瞬間產生大肌力,但容易疲勞,短距離衝刺、瞬間用力投擲鉛球時,使用到較多的快縮纖維。

 人體在速度與耐力表現上的差異,與兩種纖維的組成比例有關,一般天生擅長做耐力型運動的選手,慢縮纖維的比例較普通人高;而天生爆發力好,例如擅長瞬間衝刺或彈跳的選手,某些部位的快縮纖維比例會比較高。台灣師範大學運動科學研究所教授謝伸裕指出,人體每塊肌肉的肌纖維類別組成比例不同,每個人肌纖維類別比例也都不相同,這完全受遺傳控制,不會因為後天訓練而改變。


後天訓練,超越極限


 天生的肌纖維組成比例雖然會影響運動表現,但是藉由後天訓練,仍可改變肌肉大小,提高運動成績。一般選手都是藉由超負荷訓練,破壞體內環境的恆定,使心跳加速、呼吸急促、體溫上升、能量消耗、血糖下降等,身體為了維持恆定,會做些改變以適應變化,肌肉變粗便是其中一種適應方式。運動所造成的肌肉粗壯,並非肌纖維數量增多,而是變粗,原因是超負荷訓練促使肌纖維內的肌原纖維增加、粒線體數目增多且體積變大、細胞內的代謝物質變多等。

 超負荷訓練也容易造成肌纖維拉傷,肌纖維一旦受傷,便會釋出化學信號,啟動修補肌纖維外膜與增加肌原纖維的機制。修補的材料與增加的肌原纖維都是一些蛋白質,主要由肌纖維附近的衛星細胞(satellite cell)製造。當肌纖維受傷,衛星細胞會開始分化,並移至受損部位進行修復與增加肌原纖維,而修復後的肌纖維會較原來的肌纖維更粗壯,同樣也會使肌肉變粗。


當肌纖維受損,位在肌纖維附近的衛星細胞會進行分化、修復,最後肌纖維會變得肥大。圖左中的小插圖為修復前肌纖維的橫切面,圖右小插圖的則為修復後的肌纖維橫切面。(電腦繪圖:姚裕評)


 肌力是某一部位肌肉或肌群一次能發揮的最大力量,而爆發力是單位時間內能產生的最大肌力。肌肉變粗的好處是肌纖維截面積增加,所能承受負重或產生的張力會變大,因而增加肌力與爆發力。此外,肌原纖維增多,運動神經元能控制的收縮單位變多,也能提高肌力。肌肉的張力若達到最大張力的75%,並持續運動,粗壯程度就會相當明顯,這也是為什麼選手需要超越自己的肌力水準,而不斷持續訓練。

 不過肌肉變粗不一定能提高肌耐力,謝伸裕指出,肌耐力是某一部位肌肉或肌群做反覆收縮動作,或是肌肉維持某一固定用力狀態的持久時間,與心肺功能也有關係,因此必須藉由耐力訓練,配合呼吸調整做有氧訓練,增加心肺功能,才能發揮肌耐力。

 由於肌肉越大,消耗的能量會越多,如果肌肉練得過大,負荷重量增加,選手反而容易疲勞,也同時讓兩關節間的活動範圍變小,甚至影響柔軟度。因此體能教練必須精心計算,才能適當的訓練肌肉,讓選手在競技場上有最突出的表現。各國頂尖選手在奧運的殿堂挑戰速度、力量與耐力的極限,他們精湛的表現,都是辛苦鍛鍊時的汗水所累積而來。



肌肉變粗,人與動物大不同


 了解運動訓練是否會增加肌纖維的動物實驗,最早是1970~80年代美國德州大學西南醫學中心教授剛亞(William Gonyea)與其同仁對貓所做的實驗。他們讓貓的一前肢做阻力訓練,另一前肢當對照組,不受訓練,結果發現受訓練的前肢,其肌纖維數目較未受訓練的前肢增加20%;他們也發現貓的兩種肌纖維會因訓練而改變比例,例如經由有氧訓練,貓的慢縮纖維的比例會增加。隨後,一些學者在老鼠實驗中也發現,經由阻力訓練的老鼠肌纖維會增生。

 不過在人體實驗中,大部份的研究結果都否定肌纖維增生與肌纖維組成比例會經由訓練而改變,只有極少數實驗支持。對此,台灣師範大學運動科學研究所教授謝伸裕認為,肌纖維因運動而變粗的程度,在動物身上並不如人類來得明顯,或許正是如此,動物才必須靠增加肌纖維數量來提升肌力。不過真正的原因為何,還有待將來進一步實驗研究。







延伸閱讀

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〈基因療法犯規!〉,史威尼 (H. Lee Sweeney)撰文,《科學人》2004年8月號

高三課本《生物》上冊