最大攝氧量的好 訓練中的魔戒

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最大攝氧量的好,就像是魔戒一般,你會視它為寶貝,也或者你可能為了它失心瘋,認為自己這麼辛苦為了它,竟然輕易的背叛我。記得大學那年,跟著我最要好的朋友,來到屏東市區看著這部電影,我依稀記得我朋友說『為什麼我看到末日火山的那段覺得很熱,是電影院沒有開冷氣嗎?』聽完,我也再想自己似乎也有這樣的感受,這大概就是感同身受吧XD。在魔戒裡,每個角色都很重要,可以是放棄王位與害怕面對恐懼的王者,可以是百發百中又帥氣的精靈,可以是脾氣火爆又好大喜功的矮人,可以是『you shall not pass』的灰階轉白階巫師,又或者是更重要的陪伴主角將魔戒摧毀的哈比人。

我認為跑步的過程中,也帶著這樣的關係存在著,王者就像是你的心智,精靈就像是你的自我,矮人就像是跑者的速度,巫師就像是身體的能量,哈比人就是生理素質。我以為生理素質扮演著重要的角色,理由很簡單,生理素質代表著『內分泌系統』,『神經系統』,『呼吸系統』等關鍵生物系統,然而,我認為跑者最重要的依然是『呼吸系統與跑步過程中的調適』。

照片來源:active
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我記得曾經在還沒把撰寫文章放在網誌時,曾經討論過最大攝氧量,甚至也在馬拉松跑者的訓練法裡頭提到『最大攝氧量』的重要性,而我的觀點在這裡重申『最大攝氧量是跑者必備的工具,維持它的效能,比起追求它的天花板來得重要』。舉例而言,當跑者開始進入到20-25-30公里(依照跑者參加賽事的年齡與訓練狀態有所不同),身體能量庫已經接近彈盡糧絕,無氧系統剛好能夠提供火力支援,因此,為了減緩跑者可能感受到無氧系統帶來的『痛苦』,勢必出現撞牆般的降速,跑步效益高與肌力夠強壯者,可以很穩定度過這段『腦袋開始胡思亂想』的時間(為什麼我要花錢折磨自己,為什麼小明沒練還跑比我快),然而,平時訓練稍嫌不足的就必須邊跑邊哀哀叫,但假設『穩定的攝氧量』加上『心臟跳動的神經傳導規律與血液運送量穩定』,那麼這一切便可以提供跑者在無氧轟炸的砲火猛烈下,持續往前推進!何來這樣的說法呢?我的整理如下:

首先,根據運動科學文獻指出(參考下圖)

最大攝氧量的是非選擇題

最大攝氧量的組成包含了最大心跳率與心臟每次跳動輸出量,心跳率會隨著『情境』,『天氣』,『身體組成變化』等產生改變,『情境』像是跑馬過程中,沿途看到馬尾妹或者修杰楷,會產生心跳變化,又或者突然上坡,會需要多跳幾下好讓血液快速提供,『天氣』像是無遮蔽處的大太陽下,熱適應不良者,心跳率容易過高,『身體組成變化』像是在水分大量流失的狀態下,產生的脫水現象,也會使得心跳產生變化。每次跳動輸出量則會隨著長期耐力運動的強化,左心室的肥厚,導致血液輸送量提高,平均安靜心跳率下降,同時,也會因為長期經過訓練的狀態下,改變血液攜帶氧氣(氧合血紅素)與氧氣與二氧化碳在身體交換的能力。

最大攝氧量的運動科學小發現

然而,最早期的運動科學家1923年Hill and Lupton 在實驗過程中以三種不同的速度進行受試者測驗,在同一受試者中發現『不管在什麼速度,每分鐘移動181, 203, 以及267公尺狀態下,受試者都會在固定程度中產生最大努力狀態,無法再提高氧氣攝取量,且後續的研究也發現將速度提高至每分鐘移動259, 267, 271,以及 282 公尺 ,受試者仍會在ㄆㄆㄆ每分鐘移動243公尺達到最大攝氧量』,接著Åstrand and Saltin發現『最大攝氧量』並不是能夠一直往上提升的狀態,即便運動強度提升了,攝氧量仍會出現極限,他們以每3到5分鐘的方式持續提高強度,卻發現受試者的能力並沒有因此在提升,稱之為『最大攝氧量的高原』,這狀態可以解釋成為『不可逆的心肌缺血』以及『肌肉效能』。

最大攝氧量產生的疑惑

但經過多年的激辯與討論,運動科學家認為最大攝氧量的實驗不建議採用3-5分鐘的比例作為研究,主因導致於『有氧/無氧系統的愛恨情仇』,身體實際進入到無氧狀態時,便可能(1)改變血液酸鹼值(血液酸鹼值會影響氧合血紅素的解離與組成)與(2)肌肉產能時的效率下降(無氧醣酵解產生的副作用讓一型與二型肌肉纖維使用比例產生變化,越多的二型纖維參與,耗氧量提高,反倒無異於耐力運動的維持,除非能量系統的強化)。在一般人身上則比較沒有以上的疑慮,因為他們發現較少運動的族群,最大攝氧量的提升限制來自於最大努力的過程與心臟跳動傳導路徑的去極化(心臟跳動電位在-50到-70 mV,為了讓心臟跳動可以配合運動的過程,電位傳導的改變,稱為去極化,維基百科:https://zh.wikipedia.org/wiki/动作电位) 以及心室結構差異(像是跑者常見的心事重重肥厚,喂)。

最大攝氧量的決定因子

運動科學家Dr. BASSETT將這四大關鍵做了很深的討論,而我只希望帶出一些大綱,他提到心肺功能傳輸能力the pulmonary diffusing capacity與最大心輸出量maximal cardiac output以及血液攜氧的能力oxygen carrying capacity of the blood稱之為『最大攝氧量的中樞系統』,而骨骼肌特性skeletal muscle characteristics是『最大攝氧量的周邊系統』。

簡單來說,心肺功能傳輸能力,在每個個體身上都是完好無缺的(當然先天的基因例外,像是貧血),即便在最大的運動工作效能,血液的氧合濃度仍可以保持在95%,很少會低於75%(根據文獻Hill所陳述),也就是說人體肺部裡頭的『肺泡與血液運送能力』在運動過程中扮演著重要角色,最大的差別在於氧去飽和狀態,也就是說一般人無法在高強度運動過程中承受氧氣過低的狀態下運動,再加上另外一個重要元素,統計上最大心輸出量的差異平均值會達到40 vs 25 L*min-1,這樣的組合便會讓運動員與一般人在運動效益上有顯著的差異,光是跑長距離時,就可以想像效率多大,一個每小時可以供應1600L,亦就是你的肺部可以提供375毫升約4266瓶的氧氣供給身體運用(一般則是1000L)!

另外一個更關鍵的要素,一般正常PaO2(血氧分壓. 動脈內氧氣的壓力):正常值80-100mmHg,運動員與一般人的差異可以在『室內空間氧氣低於PaO2< 60 mmHg或SaO2<90%,這種環境狀態下將換氣能力從70.1 調高到 74.7 mL·kg−1·min−1,並且增加血管中的氧合飽和度90.6% 到 95.9%』,一般人在這樣的環境下,並沒有太明顯差異。

而一般人在坐式生活(沙發馬鈴薯)的狀態,只要規律從事心肺功能訓練50天,進步的幅度是明顯的(Saltin et al. ),另外,堅持16週的訓練則可以讓一般人除了提升最大心輸出量從 22.4 到 24.2 L·min−1的變化,還可以動靜脈氧氣濃度差異提高從138 到143 mL·L−1(Ekblom et al.)。

也就是說『動起來還是有希望的』!!因此,科學家認為『最大攝氧量的突破重點的歸因來自長期訓練下的最大心輸出量提升,相較於動靜脈氧氣濃度差異』。唯一會影響心輸出量的要素是『beta-blockade』https://zh.wikipedia.org/wiki/Β受体阻滞剂 ,這藥物的使用會使得最大攝氧量跟著下降5-15%左右,成因來自最大心跳率的下降達到25-30%,最大心輸出量下降15-20%,唯一的代償效應就是『動靜脈氧氣濃度提升』,亦就是說生理機制上,動靜脈氧氣濃度的差異對於人體運動表現的限制有限。

突然離題了!

至於『血液攜氧的能力』,有實驗指出當人體進行900-1400毫升的血液重新輸入,會提升4-9%的最大攝氧量,然而,實驗過程中,也進行了『雙盲測試』,另外一組人進行『鹽水』注射,以因果關係作結論發現『氧氣運送能力與最大攝氧量』有間接關係。

最後一個是骨骼肌特性,分成下列三個要素:

Peripheral diffusion gradients.氧氣周邊傳遞要素,科學家認為『氧氣傳遞的阻抗性原則來自於紅血球與肌漿網的面積』,白話來說就是,當肌肉細胞氧氣分壓不足時,才會促使血液氧氣分壓的強化,以維持身體血液運轉的效能。然而,科學家也認為即便增加『單一肌肉』血流量,也不會啟動最大攝氧量上升的機制,必須要單一肌肉的收縮才會使得細胞裡的粒線體消耗更多氧氣。白話來說就是:全身肌肉血流量的分配才是使得攝氧量提升的要素 ,因此,不同運動項目會因為使用的肌肉群比例而有不同的攝氧量需求,試著想想『為何越野滑雪與環法選手都可以有這麼高的攝氧量嗎? 』,我會說『等速肌肉收縮可以增強血液周邊傳遞要素的效率,比起跑步的等張肌肉收縮更好,又或者等速肌肉收縮的效率能夠讓肌肉纖維徵招呈現在平衡機制』。以氧氣周邊傳遞要素的小結就是『最大攝氧量的改變來自於氧氣傳遞在細胞與血管之間的互動與粒線體消耗多少有關』

  • Mitochondrial enzyme levels.粒線體酶活性程度,然而,究竟多少粒線體的改變才能促進最大攝氧量變化?站在能量傳遞的角度,由於粒線體負責的是終端的『電子傳遞鍊』(https://zh.wikipedia.org/wiki/線粒體#能量转化), 理論上只要增加兩倍的粒線體,應該要增加兩倍的最大攝氧量,研究數據卻發現粒線體的增加只帶來20-40%最大攝氧量的變化。分成兩個原因,第一:身體在經過長期運動訓練後對於脂肪利用率提高,因此,在血液與肌肉的肝醣轉換效率也會自然提高,因此,粒線體的提升對於最大攝氧量的幫助變有限,因為其他的能量系統轉換補足身體的不足,第二:身體在適應運動強度後開始習慣將乳酸代謝,進而使得粒線體轉換能量上的運用更有效率。這樣的生理機制是運動訓練最佳的佐證,並不是單純只『得到魔戒,就得到天下』。
  • Capillary density.微血管密度:有此一說是當進行持久性的耐力訓練會讓肌肉的微血管密度增生,然後是不是跟最大攝氧量提升有關呢?我們可以這樣解讀,當氧氣運送在A君與B君,A君的微血管密度明顯比B君高,因此,在進行高強度運動時,A君的血液中氧氣擴散效率明顯高於B君,那麼肌肉相對可以維持較為穩定的運動效率,也因此,科學家認為『肌肉微血管密度的改變會間接改變最大攝氧量的效益』,也可以轉換成『單純只練呼吸功能,卻躺著不讓肌肉訓練』,那還是洗洗睡吧。誒,等等,科學家其實是認為『肌肉訓練的適應性會比肺部功能的適應性』高,但缺一不可!
  • 「Central or Peripheral Limitation?」最後一個整理就是:就是最大攝氧量究竟是中樞或者周邊神經限制呢?早在1973-1985年間,Saltin博士的團隊針對單側或者單一肌肉群在進行進行耐力運動過後,所產生的最大攝氧量變化與最大心輸出量的差異,在單一肌肉群(股四頭肌)的運動中可以發現血流量與最大心輸出量與攝氧量的變化,都會比全身性肌群參與來得高,因此,科學家反推『全身性運動所帶來的氧氣循環與血液傳輸效應,並不如肌肉的改變來得明顯』,小結就是『周邊神經限制會明顯大於中樞神經限制,而肌肉帶來最大攝氧量的影響會顯著多過氧氣與血液運送』。因此,當肌肉呈現疲勞狀態,特別是股四頭肌,那麼就有機會影響攝氧量的維持(以上只是小弟我個人的解讀,並沒有科學家佐證過,歡迎各大專家學者用文獻舉證)。

我想這都在運動科學家的激辯當中,像是每個人都希望得到魔戒一般。另外一篇文獻提到『Lore of Running作者Dr. Tim Noakes 曾經提倡中樞主導central govenor理論,大意是說大腦有權掌控身體運動的狀態,分配肌肉應該得到的血液運送,避免造成不必要的身體損害』。此外,在我的解讀下,他認為只要『認知上的疲勞』得到控制,那麼配速策略會在潛意識的狀態中得到調配,甚至克服血流分配的阻礙。

「Four of his most controversial views are: 1) that A.V. Hill did not demonstrate a plateau in ˙VO2 at higher running speeds, 2) that oxygen transport does not limit ˙VO2max, 3) that maximal oxygen uptake does not limit endurance performance, and 4) that various “muscle factors” (such as skeletal muscle myosin-ATPase activity and calcium sensitivity) are the primary factors limiting endurance performance. 」

摘錄自: BASSETT, DAVID R. JR.; HOWLEY, EDWARD T. 「Maximal oxygen uptake: “classical” versus“contemporary” viewpoints」。 Apple Books.

簡單來說:該篇作者並不認同Dr. Tim Noakes的觀點,且他選擇不回應的態度跟我很像(喂,不是啦)。最大攝氧量並不是完全決定耐力運動表現,但也不是完全掌控戰局,因為重點是進行運動的『人』。選擇『相信』與『信念』很重要,誒,離題了,哥不是心靈大濕。我想說的是『最大攝氧量的幫助在於協助人體可以在運動過程中有效率地獲得起體交換,然而,人總是會有上限的,肌肉疲勞與中樞神經疲勞的發生,勢必影響著繼續前進的信心,過程中,人卻又能夠克服血液酸鹼值平衡的阻礙,呼吸頻率上升的窒息壓力,心臟收縮力量因為血液濃稠的幫浦功能下降然而心跳加速,肌肉痠痛到窒礙難行,每一項都足以影響跑下去的力量』。

接下來,看看實務運用面:

由於前幾個月已經分享過關於馬拉松跑者與最大攝氧量的關係,礙於科學理論的多元,讓我感覺到無法一次探索完畢,然而,我秉持著想找到更多答案的初衷,發現最大攝氧量與中長距離衝刺之間的關係。

亦就是說『最大攝氧量對於長距離衝刺仍是有協助的角色』。舉例來說,以1500公尺的選手,當他們提早拉高最大攝氧量,後面的配速才會穩定,當最大攝氧量跟著下降時,則動作表現也會招致影響。

像是這篇文獻就提到『最大攝氧量的速度』跟1500公尺的成績是有正向相關的,而剛開始進入比賽狀態的速度與比賽結果是呈現目相關的,而測驗過程中,最大攝氧量所出現的位置會在跑者進行到459.1+- 59.6m,而實際獲得的最大攝氧量會是69.5 ± 6.5mlO2 •min–1 •kg–1,相較於測驗時最大攝氧量獲得的數據(66.08 ± 7 mlO2 •min–1 •kg–1)],實際賽場上,1500公尺選手的刺激更為明顯。

人體出現最大攝氧量時所代表的速度值,有人是15 km/hr出現最大攝氧量,有的是20 km/hr出現最大攝氧量,重點在於『最大攝氧量速度』跟最大攝氧量能否快速提升有關!有此一說是『當身體進入當最大攝氧量提升時,快速能量系統-磷酸肌酸系統效率下降,ATP/ADP比率也跟著下降』,也因此,當快速能量系統無法跟上身體所需要的供應時,氧氣的解離系統機制與運送機制端,會開始工作,而這又會牽涉到『沒有規律運動的人與規律運動的人』的差異性,例如:攝氧量『高原』的出現跟攝氧量『快速拉高』的差異,用下方圖可能會更好想像!

人體在運動初期是可以快速轉換的,所以出現的T1叫做『Cardio dynamic component』,一般來說在10-20秒,呼吸的轉換效率是立即瞬間的,就像是突然被驚嚇一般,自己應該會發現呼吸加速的感受,或者突然起身衝刺,呼吸轉換是明確的,然而,當時間漸漸拉長,能量需求與氧氣需求越來越多,肌肉使用負荷越來越高,氧氣運轉系統就必須開到最大檔,稱之為T2叫做『Rapid or Fast component』,而規律運動的人可以立即來到一個穩定的高原期,就是T3叫做『Slow component』,菁英運動員之所以特別厲害,是因為他們進入到高原期的狀態,相較於我們這種弱雞,來得快也來得持久,所以我們可以三分鐘高速度跑動就開始掉速,他們可能可以變態的維持五到七分鐘,那兩分鐘就是我們被套圈的時候了,哈哈哈哈哈XD(我不是應該鼓勵人的嗎?!)也就是說『最大攝氧量的提升』是需要長期形塑的,而非在一朝一系就完全建立,因此,我想也可以說『最大攝氧量與乳酸閾值一直都是相輔相成的』,兩者都能夠輔助運動更為有效率。

另外,除了1500公尺選手在最大攝氧量得到好處,其實400公尺選手才是真正的差異化。什麼意思呢?上一篇討論400公尺選手的能量系統時,曾經提到『有氧與無氧能量的差異』,最大攝氧量在長衝刺選手,基本上也扮演著重要的關鍵因子,當他們的速耐力可以讓他們越晚達到最大攝氧量高峰,那麼越有機會在後段在有氧/無氧能量之間獲得更好的優勢,聽起來很不可思議,但我用研究的圖表解釋我的想法。

研究顯示,400公尺選手出現最大攝氧量的距離在192 ± 22公尺,亦就是在200公尺左右,剛好許多研究指出的『前兩百公尺關鍵期』,太保守的前200公尺,後200公尺跑不出來,太激進的前200公尺,後200公尺就像拖牛車,也就是說400公尺配速的後段一百公尺掉速多半來自於『每分鐘換氣能力,呼吸頻率的改變與潮氣容積(https://zh.wikipedia.org/wiki/潮气量) 的下降有關』,當呼吸效益無法延續,身體動作自然無法有效維持,假設這是無法逆轉的情勢,因為每位選手都會發生。因此,回到我剛剛的想法,當四百公尺選手的最大攝氧量出現在150公尺,那麼後段的250公尺,便會快速拉高無氧能力的轉換效益,儘管是個冒險,卻非常有機會創下自己的最佳(咦,推坑)。

總結:最大攝氧量並非罪人,卻像是魔戒,是My Precious般如影隨形地跟著我們在運動的狀態,因為它,我們可以獲得能量與耐力,少了它,我們難以維持找到正確的道路。

最重要的觀念是『最大攝氧量』並不完全是項『決定因子』,卻是『必備條件』,任何一項運動生理要素都跟最大攝氧量綁在一起,舉凡能量系統轉換會跟最大攝氧量的百分比有關,配速策略會跟最大攝氧量的使用比例有關,肌肉肌腱的黏彈性會跟最大攝氧量的改變有關,乳酸閾值在最大攝氧量之下的訓練是有連結性的,並不是完全抽離的觀察,攝氧量不提高,乳酸閾值訓練成效不見得提高,因為氧氣交換率代表著能量系統轉換是否順利,交換越好才有辦法調控乳酸耐受度。

我不會說哪一種訓練對最大攝氧量最好,因為一般人即便慢慢跑,跑長一點,最大攝氧量就會改變了,只是越到了高端運動員,總是得想法子進步,然而,我覺得基因與個人特質決定了運動員的道路,唯有運用自己的天賦得宜的人,唯有持續訓練才有可能維持最大攝氧量的人,才是最終的贏家,運動就像是條不歸路,當你選擇之後,就必須要好好堅持。

共勉之!

文獻來源:

Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance。作者:BASSETT , DAVID R. JR. EDWARD T. HOWLEY。Medicine & Science in Sports & Exercise: January 2000 – Volume 32 – Issue 1 – p 70

Hill, A. V., C. N. H. Long, and H. Lupton. Muscular exercise, lactic acid and the supply and utilisation of oxygen: Parts VII-VIII. Proc. Roy. Soc. B 97:155–176, 1924.

Ekblom, B., P. O. Åstrand, B. Saltin, J. Stenberg, and B. Wallstrom. Effect of training on circulatory response to exercise. J. Appl. Physiol. 24:518–528, 1968.

Pacing Strategy and VO 2 Kinetics during a 1500-m Race。作者:Christine Hanon, Jean-Michel Lévêque, Claire Thomas, & L. Vivier

Effects of optimal pacing strategies for 400-,800-,and 1500-m races on the VO2 response。作者: Christine Hanon, & ClaireThomas

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室