他們哪裡不一樣 肯亞選手何以稱霸長跑

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在搜尋文獻的過程中,覺得非洲為什麼可以在長跑界稱霸這麼久的時間?於是,有時候認為非洲跑者們相信『大自然的呼喚』幫助他們跨越障礙(蛤)。其實我也沒去過非洲,內心也一直嚮往著看著非洲大草原的感受,回過頭來,最近看著『強風吹拂』的動畫之後,清瀨灰二認為藏原走是以最自然的方式跑著,認為在他的跑姿中看到最純粹的往前跑,成為自己內心最強大的跑者。

照片來源:wired
照片來源:wired

因此,我認爲『最純粹的』來自於跑步經濟性,肌肉特性,能量系統,生物力學要素使得他們可以更快得知跑者內心疑問的解答『為什麼要持續奔跑著?』

A君說:啊,我就跑這麼快,每次出發都跑第一。

B君說:跟自己比賽,競賽就是應該在公平原則下找到屬於自己的配速一起往終點線前進。

J君說:都不要爭了,聰明的用路人,跑了就懂。

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綜觀所有撰寫非洲與肯亞選手的科學文獻時,都可以輕易地發現我們很容易歸類為『他們的生理要素就是比我們好,像是最大攝氧量高到一個我們看不到的天花板,乳酸閾值速度是我們全力衝刺到無氧能量的速度(像是88%HR與98%HR的差異感),肌肉骨骼系統像是小腿超級細長,完美跑馬骨架身形,更超過的是,他們從小跑步上學,我們都像溫室花朵一樣需要爸媽接送』。

在這些種種條件組合之下,似乎也歸納出為什麼這四十年間,他們可以主宰田徑的長跑運動(從800公尺到42.195公里),但身為天性反骨的我,比較希望下一個內心的結論『外在環境才是驅使他們持續奔跑的原因』,以上的內在生理要素都不足以證明他們就是這麼強,當然,或多或少因為長期居住在高海拔(1500-2000公尺高https://zh.wikipedia.org/wiki/肯尼亚)使得基因條件較好,我卻想說『當跑步獲得的獎金,可以改變家庭環境與居住品質時,這才是驅使他們跑下去的動力』,我並不是抹滅他們對於勝利與榮耀追求的心,我相信那些邁向世界第一的選手,絕對是以運動員正向的心態往前進,甚至證明我的國家就是這麼強大!

光是這樣講,我可以理解非常偏頗,但這麼說是有我的理由,因為『我相信如果非洲地區貧困可以獲得解決,他們也不需要這麼辛苦』。然而,我覺得可以透過科學文獻來討論他們的生理條件與生物力學條件,找到他們在田徑長距離運動中稱霸的原因!

非洲人的跑步經濟性與生物力學要素

在Dr. Jordan Santos-Concejero等人的研究團隊,做了非洲跑者與歐洲跑者在17/19/21公里的時速(兩小時完成馬拉松的時速大約落在20-21公里)的跑步經濟性與生物力學要素的比較,作者發現擺動時間在21公里做比較時,非洲跑者是比歐洲跑者達到顯著差異,然而,這樣並不代表擺動在較慢的時速不重要,只是統計數據上顯示,有達到顯著狀態!另外,作者也比較了三種時速非洲與歐洲跑者的跑步經濟性,唯獨在19公里時速發現非洲選手的氧氣消耗經濟性比歐洲選手還低 (非洲選手們平均的氧氣消耗量191.4 ± 10.4 mL · kg–1· km–1 vs 歐洲選手們平均的氧氣消耗量 205.9 ± 13.3 mL · kg–1 · km–1 , P = .026, ES = 1.21))。此外,受試者的十公里最佳平均成績都落在27-28分鐘。

研究本身也觀察了非洲與歐洲的人體肢段比例差異,唯獨在『小腿圍度的周長』有達到顯著差異(非洲人32.3 ± 1.0 公分 對上 歐洲人 35.8 ± 2.8 公分)。儘管有其他研究也指出人體肢段比例是關鍵,但在本篇研究並無法完全證實人體肢段比例在三種速度有達到顯著差異。

此外,在2017年也曾在同一篇獲得類似的證實。該篇研究找了一群歐洲優秀跑者參與實驗,跑者平均最大攝氧量大約在67.3 ml/kg/min,平均月跑量在240公里左右,每週至少固定訓練五次。發現跑者在14/16/18公里時速並沒有因為肢段比例參數而有明顯差異性,唯獨在小腿長度在16公里時速的跑步經濟效益有達到相關係數的顯著差異(0.316, p<0.05),在該篇研究受試者中,只要小腿越長的跑者,在16公里時速的經濟效益越高,也就是說小腿的圍度與長度可能很重要,但無論在同質性族群(歐洲人或者非洲人之間單獨的比較)或者異質性族群(歐洲人與非洲人彼此交錯的比較),並沒有辦法完全證實『小腿』的關鍵性。

然而,研究中特別談到因為影響跑步經濟性的要素非常多,下肢脛度與身體重心垂直震幅,接觸時間短,增加步幅,都可足以影響跑步經濟性的要素,然而作者特別強調『跑步經濟性越好的跑者,不代表最大攝氧量越高』,同時也說明『成為競賽運動員,很多要素缺一不可,卻不會因為單一因子,就證實特定運動與“某種研究指定標的”有關係』,甚至也可以換句話說『研究者的背後如果以較單一取向解釋研究數據,那麼很容易造成因果之間的偏誤』。什麼意思呢?舉營養食品為例,當我們開始研究補充超神奇能量膠與運動表現的相關性,便開始掉入深淵,因為究竟是『能量增補』協助運動表現,還是『運動表現』依賴能量增補,這是永遠也爭辯不完的,因為『統計數據』在怎麼解釋都行,因為重點在於人體運動系統是外在與內在互相轉換的,並非單一要件可以解釋完整,而科學家只是為了找到可能的證據佐證,很少會把話說死,甚至會在結論補上『由於樣本數過少,切勿推論到所有群體之間』,『由於跑者不習慣跑步機,即便我們給他們適應了跑步機十分鐘,其實跑起來還是怪怪的(誤,最後這句話我自己加的)』。當然,科學家總是得讓自己找到出口,於是開始認為『可能與受試者的肌肉比例與分配有關』!

非洲人的肌肉組成與比例

在Dr. Larsen撰寫的『The Kenyan runners』文獻中,其中一段提到肌肉比例與組成的差異,他舉出其研究認為『肌肉組成的確影響了身體能量系統的運用,多數耐力選手的第一型肌肉細胞(Type I)是較多的,且同時也會因為天生基因擁有較多耐力性肌肉細胞,使得面對這樣的訓練可塑性也提高,即便在年輕選手身上也可以觀察到他們跟菁英選手的肌肉組成有70%比例是耐力型肌肉細胞,但如果與其他人類族群交叉比對,會發現當肯亞選手與非肯亞菁英選手做肌肉組成分析時,會發現他們的耐力型肌肉細胞沒有達到顯著差異』,這樣的狀態下,慢慢有研究者認為『第二型肌肉細胞』的在有氧與無氧代謝能量的能力才是造就肯亞人長跑霸主地位的關鍵要素!

由於『肌肉組成』的研究舉例皆是發生在1999年以前,這也代表了『肌肉纖維』是否屬於『耐力型』或者『衝刺型』,不會是討論重點(當然,如果是比較一般人,擁有較多的第一型耐力佳,有凍頭的肌肉纖維還是很重要),科學家開始認為『肌肉纖維裡的有氧酵素』多寡,檸檬酸合成酶citrate synthase (CS)(https://zh.wikipedia.org/wiki/檸檬酸合成酶), 琥珀酸脫氫酶succinate dehydrogenase(https://zh.wikipedia.org/wiki/琥珀酸脱氢酶), and 甘油3磷酸脫氫酶glycerol-3 phosphate dehydrogenase(https://zh.wikipedia.org/wiki/甘油-3-磷酸脱氢酶_(NAD%2B)) ,根據2018年Dr. Tim Noakes團隊研究發現非洲跑者與歐洲跑者之間的有氧酵素能量差異,發現CS與3-HAD非洲人都明顯多於歐洲人(如下圖),因此,可以推論為這樣的關係讓非洲跑者在進行該實驗的疲勞測試都只產生較低的乳酸濃度。

該實驗比較了四階段的工作負荷量,每階段都是五分鐘,依序是跑者自己本身在跑步機上的最大速度值Peak Treadmill Velocity(PTV),當獲得最大速度值後,再將百分比例拆作為72%/80%/88%/92%作為每位跑者之間的比較趨勢(每個百分比都會執行五分鐘跑,每一階段跑完會休息一分鐘,在30秒的時間採集血液乳酸濃度),在研究結果發現『跑者在88%的運動強度下非洲人跑者的血液濃度累積才達到4.8±3.2mmol/l,歐洲人則是在該強度的血液乳酸濃度達到 7.7±2.8mmol/l,P<0.05』,接著最後一階段的92%PTV則是以看誰先跑到疲勞衰歇為止,也同時在此項測驗裡達到顯著差異(非洲跑者的在此階段的成績是7:56分±3:45,歐洲跑者的成績是 3:57分±2:05,P<0.01)。

簡單的解釋一下,為什麼肌肉的有氧酵素如此重要,呈如上圖,可以發現檸檬酸與琥珀酸都在有氧能量系統製作能量的電子傳遞鍊有著重要的角色,可以將製作能量的過程提高,甚至減少乳酸大量堆積的可能性,當然,乳酸再合成與清除,跟身體的血液循環與monocarboxylate transporters(MCT 1& MCT4單羧酸轉運蛋白1 & 4,是肌肉細胞與血漿之間的乳酸主要清運者)仍然有關,但就如同前面所提到的『很多事情都是息息相關的,並非單一因子影響運動表現』。或者如果對於能量系統有興趣的話,也可以參考這影片

此外,關於肌肉組成與比例,Dr. Larsen也認為當運動強度增高時,身體血液乳酸濃度上升,會伴隨著最大氨濃度上升,然而,根據早期1995年研究指出肯亞跑者相較於其他菁英跑者的最大氨濃度只有1/3高,這樣的代謝狀態被推論為重要的疲勞指標,特別是在周邊肌肉疲勞的干擾!!(然而,這樣的研究仍屬於少數被關注的)。

阿基里斯腱力臂長度AT moment arm與前足長度或者呼吸效率

在2013年,日本學者找了很純的(喂)一批肯亞跑者參與實驗,跟日本跑者做比較,研究發現肯亞人的AT moment arm是44.6 ± 3.9 mm,長度顯著優於日本人,日本人的AT moment arm是40.7 ± 2.5 mm ,由於本篇研究並沒有利用生理實驗或者最大攝氧量作為比較,儘管比較了兩族群跑者在IAAF的成績排列分數與AT moment arm,也確實發現阿基里斯腱力臂長度越長,成績排列就會越高。我也努力去查過其他相關研究,日本人找了優秀耐力選手作同族群的跑步經濟性與力臂長度的差異性,顆顆顆,儘管發現了差異,這也同樣證明『單一因素的比較的確很容易找到差異性』,但如何排除思考上的偏誤,就必須藉由『同族群與異族群之間的相互比較』來找到更明確答案。

另外,除了阿基里斯腱力臂長短是可能的關鍵外,因此,這裡再補充一個關於跑步經濟性與身體肢段參數所做的『整合分析文獻評論』。

他認為腓腸肌與阿基里斯腱長度是可能因素影響跑步經濟性,然而『小腿骨頭長度』不是關鍵因素,阿基里斯腱力臂卻不見得是關鍵因素,理由很簡單,當腓腸肌與阿基里斯腱長度較長的跑者自然可以更有力的將腳踝做有效率的推蹬與移動,足踝力臂的長短不至於影響如此嚴重的跑步力量,就以肌肉速度與長度最佳組合來看,的確是有足夠的證據證明『肌肉長度越長,相對本身肌肉力量就會越大』,人體卻可以透過動作彌補來減少動作效益的流失,甚至透過其他力量效益補足本來力臂的不足,像是擺動與騰空時間,都會是被改變的因素。

呼吸效能也是近幾年被提起的,有研究者發現『運動所導致的動脈低氧血症』與『肺部呼吸肌肉的轉換能力』,一個是為了減少血液酸鹼值所做的適應能力與調節,另外一個是將攝氧肌肉做能力擴充,特別是橫隔膜的抗疲勞能力,協助了肯亞人的耐力。

關於呼吸效能影響運動表現,這裏稍作解釋在進行高強度運動過程中,肯亞跑者能夠讓身體忍受較低的動脈氧氣分壓,穩定上升的肺泡氧氣分壓,為的就是讓肺部的空氣轉換得以順暢,甚至為了降低『橫隔膜在呼吸肌肉的疲勞與換氣的壓力降低』,然而,在一般人身上就比較容易發生維持動脈氧氣分壓,使得肺泡氧氣分壓互相競爭的狀態下,換氣能力不如肯亞人的好,也比較容易使得呼吸效能下降,特別是在運動強度與身體體溫拉高時,氧氣在身體的解離狀態會產生變化,如果呼吸效能下降,那麼便很有可能使得『血液中的酸鹼值跟著改變』,便會是疲勞累積的開始。

同時,該篇作者也認為當持續運動的過程中,強度已經超過85%自主能力,通常會橫隔膜疲勞的開始,當呼吸疲勞後便會啟動代謝性反射(metaboreflex),血液會重新分配,降低四肢肌肉所應得的血流量,以維持呼吸效能,然而,在肯亞人體內似乎就是蘊藏著無限寶石,在吸氣與吐氣的能力上總是能夠突破人體構造的限制,參考上圖,在最大運動強度時潮氣量與呼氣的能力可以保持在良好的開關,並且不讓呼氣時氣流的限制影響了身體在運動的功能,然而,一般人卻可能在運動強度提高時,除了上述的橫隔膜疲勞發生,還產生的呼氣氣流限制,使得每次吸吐過程中,造成無形的壓力。

除了肺部呼吸能力的改變,更有一篇研究發現肯亞跑者在進行八趟1公里間歇,每趟中間休息30秒,配速大約是在測驗成績5000公尺再快5%的速度,腦部氧氣分壓的變化,研究者發現『肯亞人的腦部氧氣分壓在前四趟下降趨緩,儘管到最後一趟仍明顯下降』,然而,受試者中前四趟提早疲勞的跑者比後四趟疲勞的跑者下降程度還低,亦就是說『過於保留的跑者可能在腦部氧分壓的分配,基本上會因為呼吸肌疲勞與血液酸中毒,更容易出現疲勞狀態』,哎呀,突然很想說『狀況好真的不需要保留』這句話給各位讀者。研究者把這樣腦氧氣壓力變化稱之為『長期居住高海拔影響身體機能的改變』,同時提升了他們本身的腦血管增生的效果。研究者也再次強調同樣在執行課表強度或者測驗時,他們能夠在腦部氧氣分壓下降的狀態下仍維持較高的最大攝氧量,這也是我們一般人難以承受的痛苦。而組合上一段關於肺部與動脈氧氣分壓的問題,本篇研究者認為腦部氧氣分壓的下降有部分原因來自於『過度換氣所導致的低碳酸血症』有關,因為當此症狀發生時,會使得腦部的血管收縮增加,進而降低血液流量,使得氧氣分壓產生變化,理由也在於血液酸鹼值改變,使得身體必須重新分配血液,這樣的機制會很快啟動周邊肌肉的化學感應接受器,提升呼吸肌肉的效能,避免肌肉血液的酸鹼值產生劇烈改變,然而,一般人可能在這樣的狀態下,特別容易all-out(衰歇與耗盡),尤其是忍受不住的酸與痠還有橫隔膜早就已經疲勞了。(研究者最後有提醒本篇研究使用的探針只有3公分 ”最好的有4.5公分“,且特別容易遭受訊號干擾,且腦部氧血紅素的測驗特別會因為顱外血管血流變化而有不同,因此在解釋上務必小心)

JRS總結:

或許,可以說居住環境造就了他們的天性。我相信在生物力學要素上,並無法完全證實『他們天生就會跑』,其實只要是願意學習與努力,跑步是人類最自然的事情。

在擺動與支撐過程中,只發現了21公里的時速,在擺動儘管有差異性,但平常不會有人配21公里時速跑步。

在接觸時間與騰空時間上,並無法完全證實肯亞或者非洲人與我們的跑步方式有多大的差異,因為『結構不同產生的優勢而已』,並不足以影響整體的力學效益,在肢段比例上,也不能完全認為小腿長度或者纖細就是優勢,因為在不同族群同樣是菁英跑者身上並不見得完全是顯著差異。

當然,我們可以說他們的肌肉細胞也許比較有耐力一些些,呼吸效能可以無限擴充,有氧代謝能量酵素多一點點,但在競技賽場上,我們並沒有跟他們有太大的差異性,特別是與非洲以外的頂尖選手作生理素質比較時,當『樣本數越大越多』時,很有可能這樣的差異是不存在的,因此,我想最大的不同仍是居住環境所帶來的『環境適應』與對於勝利所帶來生活上的改變的渴望,然而,透過正當與長期訓練,其實我們仍有可能與他們在賽場上齊頭並進。誒,這裡說的我們是為了勉勵大家愛跑步,基本上,大概只有競技選手可以忍受住『長期訓練的壓力』。

關於跑步與呼吸效能的文章,我並非專家,只是用我綿薄之力解讀與翻譯,待厲害的高手來指點迷津了。

共勉之!

文獻來源:

The Kenyan runners。作者:H. B. Larsen, A. W. Sheel

Lower Leg Length is Associated with Running Economy in High Level Caucasian Distance Runners。作者:Rauno Laumets, Karel Viigipuu, Kerli Mooses, Jarek Mäestu1, Priit Purge, Ando Pehme, Priit Kaasik, Martin Mooses

Anthropometric, gait and strength characteristics of Kenyan distance runners。作者:Pui W. Kong and Hendrik de Heer
Gait-Cycle Characteristics and Running Economy in Elite Eritrean and European Runners。作者:Jordan Santos-Concejero, Jesús Oliván, José L. Maté-Muñoz, Carlos Muniesa, Marta Montil, Ross Tucker, and Alejandro Lucia

Specific muscle–tendon architecture in elite Kenyan distance runners。作者:Y. Kunimasa, K. Sano, T. Oda, C. Nicol, P. V. Komi, E. Locatelli, A. Ito1, M. Ishikawa

African runners exhibit greater fatigue resistance, lower lactate accumulation, and higher oxidative enzyme activity。作者:ADELER. WESTON, O. KARAMIZRAK, A. SMITH, T. D. NOAKES, AND KATHRYN H. MYBURGH

Biomechanical factors associated with running economy and performance of elite Kenyan distance runners: A systematic review。作者:Nassib Tawa, Quinette Louw

Brain oxygenation declines in elite Kenyan runners during a maximal interval training session。作者:Jordan Santos‑Concejero, F. Billaut, L. Grobler, J. Oliván, T. D. Noakes, & R. Tucker

文章來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室