心率肝醣與能量系統 以生理系統看配速策略

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順著上週邏輯與未完成的文章補最後一篇。我喜歡BabyDriver這部電影,因為「音樂元素」讓這部電影充滿驚奇。但你開車的時候?會想怎麼配速嗎?順著紅綠燈?還是油門一直催?煞車是紅綠燈到了才踩?但天知道!

不過,我相信跑馬拉松你一定會配速,可能是你花了時間去規劃每個區段應該到達的分段時間?亦或者是妳的生命中曾經遇過像修杰楷一樣的男人說「你的速度我來配」?或者沒有修杰楷,可以依賴每個區間的配速員幫你穩定速度呢?

然而,配速是多元而隨機因變得,因為就以「事件」的方式來觀察馬拉松,沒有「穩定」配速這件事情存在,例如:上下坡的過程,勢必速度維持遇到助力或阻力,速度便因此改變了;例如:突然跑著在某個路段,想起你與某人曾經度過青春歲月(咦,怎麼覺得在講自己);例如:現實面是當能量系統遇到存量不足時,勢必得調降速度。但如果單就以「時間分隔」呢?每一公里或者每一英哩,為什麼菁英跑者可以如此穩定的維持呢?那勢必跟菁英跑者對於「距離」感受較高有關。聽起來可能有思考邏輯上的偏誤,也很有可能是新的思考脈絡重新調整策略。

或者在進入本文主題之前,用「一段話」思考一下,「如果要求你每一百公尺都『平均』跑15秒整,是一件多難的事?跟要求你15秒任你跑,可能每一趟所完成的距離都不同」,我會說為什麼菁英會是菁英,除了「經驗取勝與意志力」外,能量系統的運轉,大腦中樞神經的支配,氣體交換效率與跑者的自我努力感覺量表Rate of Perceived Exertion(RPE)都影響著一場比賽的「速度的變化率」!接下來讓Dr. Billat來一一解釋。

生理要素之能量系統運轉:

配速改變的生理要素:請記住3H! 「H」ypoglycemia,「H」yperthermia 以及 vascular「H」ypovolemia。第一個叫做低血糖症,第二個叫做溫度過高,第三個叫做低血容積(血漿濃度高,過於濃稠)。跑馬之前要補很多碳水化合物,我想這是基本常識,然而Dr. Billat舉了一個研究,馬拉松跑者分組,一組吃每小時6%碳水化合物,另外一組吃安慰劑。他們發現碳水化合物組可以用更高的強度完成比賽,並且最後十公里的速度落差在前三十公里是16.8 正負0.3與 最後十公里16.1 正負0.3, P=0.06。心跳率在前三十公里的心跳變率沒有差異82.0±0.6% v. 84.2±0.6% of HR max,最後十公里則是服用碳水化合物組的跑者會偏高,78.7±1.0% v. 84.6±0.7% of HR max,服用安慰劑的跑者則在最後十公里心跳會開始下降,血液容積改變則沒有明顯差異-0.22% v. -0.19%。體重下降的幅度則是服用安慰劑的跑者會相較於碳水化合物的跑者多(-1.6±0.02 kg v.-1.2±0.2 kg)。因此,Dr. Billat認為碳水化合物的補充可以有效改變跑者對於「RPE」的調整。事實上也是如此,請參閱下圖。

當最大攝氧量或者運動強度改變的時候,如果適時的補充碳水化合物,並且在適當的時機點,便很有可能讓我們身體所造成的血糖變化率穩定,保持身體肝臟儲存的『肝醣』儲存,那麼就不容易因為血糖不穩定與肝臟肝醣儲存消耗,使得身體啟動保護機制,勢必容易開始減速。如果以研究者Timonthy Noakes(The Lore of Running 作者)提的理論「The Central Governor」來看服用安慰劑的跑者,認為跑者會降速是為了將氧氣缺乏的狀態,重新分配,讓心臟能夠獲得更多血液供給,避免造成人體的傷害,他們認為大腦會自我調控「腦部與橫隔膜」的血液分配,他們同時也預測優秀運動員因為擁有較大的冠狀動脈血流量,因此每次運動時,他們的運輸血液到全身的能力與效率也會跟著提升,再者Governor理論認為大腦可能也協助心臟持續收縮時,心肌可以用較少的氧氣消耗。儘管這理論看似如此合理,Dr. Billat不太認同,因為這理論不適用在每個人的關注重點,或者它只是恰巧是個自然功能,因為她認為當運動過程中,放入所有訊息給身體系統時,大腦皮層會告訴身體偵測能力的「閾值」,讓我們的身體去做決定,如果超過自然會產生相對應反射,而這些都是多種複雜系統的整合形成的,這段話我想她是開玩笑的吧『this mathematical function according to the length and exercise intensity will be awarded at least a Nobel Price in Science of Sport and Exercise』。

Dr. Billat認為提出另外一個研究說明業餘跑者在RPE,心跳率,乳酸累積濃度的過程所產生的自我調配速度過程,她認為單獨以平均心跳率來控制速度,會比起以乳酸累積濃度佐以心跳率監控的速度,來的低。亦就是說「在跑者中,單獨看到某項數據時,很有可能使得跑者避免心跳率上升,而選擇降速,但如果考量多重因子時,卻很反倒激發業餘跑者對於自我調配速度的選擇」,畢竟誰都不希望太早耗盡能量,所以學會「降低耗能」是配速的關鍵要素。

最後,她提到另外一種可能影響速度控制的關鍵,那就是「步幅」與「緩衝」。當馬拉松選手進入到最後十公里階段時,往往會因為能量系統與神經肌肉疲勞的關係,而開始重新選擇步幅,以緩衝每一步的地面反作用力,畢竟每一步踩下去的力道都關乎於『能量消耗』,因此,建立良好的動作機制是馬拉松跑者的關鍵,才不至於在最後十公里爆掉,且根據不同速度去建立選手對於步幅與緩衝的交互機制。

於是她下了一個配速選擇的結論,「任何運動都始於自主意識控制下的產物」,是屬於「減少徵招形式的狀態」,在每個肌肉感受到的疲勞與血流循環過程中,每一段的累積都會影響身體自主意識的選擇,並不完全藉由『大腦』主動調整與控制。當然,她也認為這仍是屬於『爭辯的狀態』,沒有完全正確的理論可以說明馬拉松跑者配速的現象。因此,她認為馬拉松的過程中,多數是集中在『疼痛Pain』大於『忍受Tolerable』。

『心率與速度』Cardiac Cost組合變動的配速策略

這大概是Dr. Billat先驅者的想法,如同我之前所說的,早在1999-2005年之間,博士花了許多時間在『最大攝氧量』與『乳酸閾值』如何做訓練,她的團隊可能覺得這些研究已經到頂點,於是這兩年寫了很多關於馬拉松跑者的速度與心率的變動。

在2020年她的團隊認為跑者可以分成兩種屬性,第一種是每段速度分配不同,第二種是每段速度維持(俗稱的配速),兩者的運動表現成績如下3 h01:42 s 18:10 s min vs. 2 h54 min09 s 17 min 13 s, F = 15, p = 0.006,然而,依照心跳率變動而言,分段速度不同的跑者通常在心跳率上升的過程中(參考下圖),特別是到了26公里,他們便會開始掉速。但博士提到『就以所有跑者的速度變動而言,都屬於正向配速,亦就是以『半馬距離』來區分前段速度與後段速度,跑者其實都非常容易在前段速度稍快』,另外,單就以心跳率的變動並不是完全讓他們失速的原因,她認為心跳率與速度下降的組合Mean cardiac cost ={HR .b min-1/speed .m min-1}/6000才是真正主因。因此,她主張利用GPS分段距離的指示,分配自己的速度,比起完全根據心跳來得有效果。且團隊認為只有少數跑者在3小時左右,可以用非常小速度未變動的狀態下完成全馬,3/4的跑者都非常有機會『撞牆』。當然這還是可以歸咎跑者之間『最大攝氧量』『臨界速度』『氣體交換效率』的差異所引起,因此,只要可以在跑馬過程中心率與速度兩者搭配考量下,可以避免太早出現狀況,特別是跑馬時的前四公里與後四公里的心率變化很重要,研究認為這是不爆掉跟不太早提快速度所引發的疲勞有關。

然而,配速策略是否在全馬賽場仍完全奏效?或者光靠GPS分段距離,觀察自己平均速度與是否在馬拉松速度的中位數以上或以下?是否有效,研究團隊也說了『畢竟目前這研究限制多,這還必須考量到地形,各項生理因素,他們只是提供方向讓大家參考,可以利用GPS提供的分段距離與速度』。

另外,她也根據頂尖馬拉松選手的速度變化率做配速分析,她同時也發現女生頂尖選手配速相對穩定,男生相對在數據與他們的最大速度與馬拉松配速做比較,速度變動性比較高,且以偏態觀察前後半馬時,Kipchoge在2018與2019年兩場比賽反倒在後半馬仍可以將速度推上去,相較於女生Radcliffe與Kosgei在前半馬速度稍快於自己馬拉松平均中位數,後半馬就是努力維持不掉速了。但由於該篇文獻並沒有討論心率是否下降,我只能推測估計Kipchoge的速度之所以沒有下降,跟他的臨界速度相對較快有關,因此,這篇的結論,博士認為『一場比賽不是維持穩定速度完成,然而卻也必須考量自己的臨界速度與馬拉松配速之間的關係』,以優秀馬拉松跑者而言,都可以跑在3000-21000公尺的臨界速度之間,就跟我上一篇所撰寫的區間很接近『90-93%vV02max』,又或者博士在這一篇文章是以94-95%critical speed描述,就是以3000公尺完成的時間乘以0.94-0.95。

依照『肝醣儲存』做判斷的配速策略

在這篇文獻利用身體所儲存的肝醣換算如果我們想要的最大攝氧量條件在多少,跑到什麼速度,需要多少碳水化合物,這張圖片,舉了一位70公斤的跑者,最大攝氧量在55mL/min-1/kg-1,那麼他每公斤身體質量就必須要消耗20 kcal才能完成3:42:00的全馬成績,因此,他大約會花1400 kcal才能穩定跑完,且這前提是在未完全做任何肝醣消耗的狀態下,亦就是很舒服穩定跑。但如果這位跑者多了五公斤的質量,就代表需要更多能量儲存,才不至於提早消耗身體肝醣,而提早撞牆。該篇文獻之所以有趣在於多數跑者可能攝氧量狀態在35-45mL/min-1/kg-1,那麼如果想要協助他們完成馬拉松比賽,就必須提醒他們如何控制速度而不提早消耗肝醣儲存量,儘管這些儲存量必須考量到『肝臟儲存』『肌肉儲存』『血漿儲存』三者結合,然而,在循環過程中,避免過早啟動『肝臟儲存』與『血漿儲存』,是必要關鍵,但攝氧量越低,跑速只要沒控制好,就非常有機會消耗太多肝醣儲存,進而在速度『快快慢慢』的狀態下,更容易疲勞,就以生理學的角度而言,當身體激素釋放由升糖素轉換胰島素,當身體開始接受此訊息時,會開始釋放脂質,成為游離脂肪酸進行能量代謝,過程中產生的乙烯輔酶A與二氧化碳,這樣的結果反倒影響了碳水化合物的能量代謝,阻礙了丙酮酸會到檸檬酸循環,進而使得乳酸重新合成轉換為ATP的能力也會有機會下降,使得乳酸清除能力開始下降。也因此,該篇文獻建議同步提升『最大攝氧量』與『下肢肌肉質量』都會明顯使得平均全馬只能跑5-6小時的跑者,更有效率完成一場全馬賽事。

這裡也必須要再提醒一次,這一篇文獻所提醒的是在完全使用有氧能量系統狀態下,不大量消耗肝醣的跑馬拉松應該得知的儲存量與最大攝氧量的影響。如果是菁英跑者,就不在此限,畢竟他們能夠以較有效率的方式維持『肝醣』與『最大攝氧量』的效能,例如:每分鐘能夠交換70-75mL的氧氣,一般跑者只能交換35-45mL,下肢肌肉質量又少,甚至啟動二型肌肉纖維的機率也會提高(氧氣不足或者速度變化率高時),都是影響一般跑者對於馬拉松又愛又恨的關鍵,跑完很有成就感,跑的過程多數在忍肉痛苦。

JRS結語:

馬拉松配速,可以是像是經典廣告台詞一樣鑽石恆久遠,一顆永流傳,又或者像是玩命再劫的主角一般,多數時候享受著內心世界的高低起伏感受,甚至拿掉耳機之後,會開始失去配速的感覺?!

最大攝氧量仍是所有研究團隊主要目標之一,沒有它,很難衡量能量改變的過程,最大攝氧量並不是只是追求『強度高』,而是『維持的效率』,這之中又跟跑馬拉松的速度變化與心率變化的變異係數(CV),有極其大的關係,以往很容易以為心跳率顧好,一切沒煩惱,現在我們必須清楚自己的配速策略比較適合偏態細數『靠左』或『靠右』,前半馬喜歡跑快,就必須提醒自己在特定距離補充能量,甚至注意特定距離心跳率快速上升趕緊做呼吸與效率的維持,跑者往往會在掉速之前,有脈絡可循的心跳上升,然而,如果我們試圖以距離長短去維持速度的變化性在2%左右,會使得我們在配速過程中,更容易調控能量的變化差異,而不會在特定地形變化的時候,著急驚慌的維持『固定速度』,固定速度雖然有好處,卻也無形難以追求成績上的突破,注意自己的94%的臨界速度(3000-21000公尺之間的速度換算)與馬拉松。

此外,透過肝醣儲存的概念,我們能夠清楚速度的調配,應該隨著自身體重與攝氧量與下肢肌肉質量的差異來控制,並且提醒自己與其『單純關注拉高訓練強度』,應該關心自己的跑目標,如果是開心跑馬,那麼只要補充適當的碳水化合物,不要爆速,基本上都能夠使得一般民眾開心完成賽事。

最後補充,我的心裡想的是培養自己的臨界速度很重要,能夠在十公里成績突破,那麼就有機會在全馬的時候,更得心應手。然而,根據『異速成長』模式推測,Kichoge跟Bekele在經過五年以上1500公尺比賽累積,早已經把無氧閾值速度跟其他選手有顯著差異,因此,讓他們的全馬速度可以因為與無養閾值速度的落差,效率極高的維持,再加上我的推測『他們兩位大概因為之前專項特殊性,使得他們的快速收縮肌肉纖維耐力驚人,再加上最大攝氧量的基因天份,使得他們始終在全馬成績領先群雄』,之後還會有人超越他們這兩年的成就嗎?我想很難,但以上都是我個人的判斷,他們也不會參加任何一個關於頂尖耐力選手肌肉纖維研究。顆顆顆!

共勉之!

參考文獻:

Metabolic Factors Limiting Performance in Marathon Runners 作者:Benjamin I. Rapoport

Race Analysis of the World’s Best Female and Male Marathon Runners 作者:Véronique Billat, Damien Vitiello, Florent Palacin, Matthieu Correa and Jean Renaud Pycke

Pacing Strategy Affects the Sub-Elite Marathoner’s Cardiac Drift and Performance 作者:Véronique Louise Billat, Florent Palacin, Matthieu Correa and Jean-Renaud Pycke

Current perspectives on performance improvement in the marathon: From universalisation to training optimisation 作者Véronique Billat

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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