晝夜生物節(jié)律對自行車運動員運動能力的影響與機制

黃華生，吳曉君，王晨宇，張 艷

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晝夜生物節(jié)律對自行車運動員運動能力的影響與機制

黃華生1，吳曉君1，王晨宇2，張 艷1

晝夜生物節(jié)律；自行車運動員；運動能力；體溫；能量代謝；激素

男子1 km自行車計時賽是以有氧、無氧混合供能的體育運動項目，屬于體能主導類速度性項群，要求運動員在比賽中通過踏蹬自行車，以較高的速度和較短的時間來決出名次[22]。Hettinga等[13]讓6名自行車運動員分別進行4次1 500 m計時賽后發(fā)現(xiàn)，比賽成績最佳時有氧和無氧峰值功率最高且無氧峰值功率在比賽中出現(xiàn)最早，提示運動員可按照生理狀態(tài)的變化來調(diào)整比賽配速[18]。有證據(jù)顯示，有氧和無氧代謝系統(tǒng)的供能效率在傍晚較清晨有所增加[15,25]，其機制與體溫波動有關，推測晝夜生物節(jié)律可能是影響能量代謝系統(tǒng)供能以及運動員比賽配速的重要因素。由于比賽配速主要依賴于有氧和無氧代謝的相互作用[16]，因此短距離高強度項目更易受到生物節(jié)律的影響，但這一假設尚未得到實驗證實。

研究發(fā)現(xiàn)，多種影響運動能力的激素如胰高血糖素(pancreatic glucagon，PG)、去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)、腎上腺素(adrenalin，ADR)、皮質(zhì)醇(cortisol，CRT)、生長激素(growth hormone，GH)和睪酮等在安靜時均具有晝夜生物節(jié)律特性，但有關運動時激素變化的生物節(jié)律變異鮮有關注。由于短距離自行車計時賽成績主要依賴于運動員在比賽中維持高水平功率輸出的能力[11]，因此推測各種激素的互相調(diào)節(jié)與作用可能對運動能力產(chǎn)生一定影響，即傍晚運動能力改善可能與此時間段安靜時和/或運動時的激素代謝水平密切相關。

本研究旨在對比男子1 km自行車計時賽運動員擇時訓練(8:00 a.m.和6:00 p.m,)時運動成績、功率輸出、能量代謝、比賽配速、體溫與激素水平的差異，探索晝夜生物節(jié)律對運動能力的影響并探討其可能的生理學機制。選擇1 km自行車計時賽是因為該項目同時依賴有氧和無氧代謝系統(tǒng)，而在代謝系統(tǒng)作用下的比賽配速則是決定運動成績的關鍵因素[7]。我們假設，運動能力在傍晚時高于清晨，其機制可能與傍晚體溫升高，有氧、無氧代謝供能效率增加以及安靜和/或運動時激素波動所營造的“代謝環(huán)境”有關。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取男子自行車1 km計時賽運動員(國家二級)15名。受試者身體健康，無心血管疾病、代謝性疾病和運動系統(tǒng)疾病，無急慢性感染，近期無運動損傷以及服用各種藥物與營養(yǎng)補劑。實驗前告知其注意事項和運動風險并簽訂知情同意書。

1.2 整體實驗設計

受試者首先熟悉實驗室環(huán)境以及實驗流程(特別是功率自行車的使用)，隨后共進行3次正式實驗(每次實驗間隔2天)。第1次：測定身體形態(tài)學和血流動力學參數(shù)并利用遞增負荷實驗測定有氧運動能力，本次實驗在10 a.m.～2:00 p.m.間進行以避免對隨后的擇時運動實驗(8:00 a.m.和6:00 p.m.)產(chǎn)生適應。第2次和第3次：分別于8:00 a.m.和6:00 p.m.進行1 km自行車計時賽。囑受試者實驗前24 h內(nèi)避免進行劇烈運動，禁咖啡和煙酒。實驗期間保持實驗室環(huán)境溫度(23℃～25℃)和濕度(50%～60%)相對穩(wěn)定。

1.3 身體形態(tài)學測定

常規(guī)方法測定身高(m)、體重(kg)并計算BMI(kg/m2)=身高/體重2。用體成分儀(Inbody 520，韓國)測定身體成分，即脂肪重量(fat mass，F(xiàn)M)、去脂體重(fat-free mass，F(xiàn)FM)和體脂百分比(percent of body fat，PBF)。

1.4 血流動力學測定

受試者端坐位安靜休息15 min后，采用經(jīng)校正的標準臺式水銀柱血壓計測量右上臂肱動脈血壓，連續(xù)測量3次，每次間隔5 min，取其均值，獲得安靜收縮壓(systolic blood pressure，SBP)和舒張壓(diastolic blood pressure，DBP)。同時計數(shù)3次(4×15 s)脈搏取平均值作為安靜心率(heart rate，HR)值。

1.5 遞增負荷試驗

1.6 體溫測定

分別于自行車計時賽前后采用經(jīng)常規(guī)消毒并經(jīng)預先檢測誤差<0.1℃的水銀柱式口腔溫度計測量口腔溫度，同一受試者用同一支口腔溫度計。測定方法為：測量時將溫度甩至 35.0℃以下，將口腔溫度計水銀端斜放于受試者舌系帶處，閉緊嘴唇，用鼻呼吸，測量時間為10 min。

1.7 自行車計時賽

1.8 統(tǒng)計學處理

圖 1 1 km自行車計時賽實驗流程Figure 1. Experimental Protocol of 1 000 m Cylcle Time Trial

2 結(jié)果

2.1 受試者的基線特征

受試者均為1 km自行車計時賽運動員，各自主項成績均達國家二級水平(成績達到1′06″)。計算各指標的變異系數(shù)(coefficient of variability，CV，表1)。各變量中除FM(CV=13.4)、PBF(CV=11.1)和MAP(CV=13.1)外CV均<10%，表明受試者基線特征(形態(tài)、機能、運動能力等)接近(同質(zhì)性高)。所有受試者均完成了全部實驗且未出現(xiàn)不良反應，無失訪者。

表 1 受試者的基線特征Table 1 Baseline Characteristics of the Subjects

2.2 自行車計時賽前后體溫的變化

與計時賽前比較，清晨(8:00 a.m.)和傍晚(6:00 p.m.)計時賽后體溫均升高(P<0.05)；與清晨(8:00 a.m.)比較，傍晚(6:00 p.m.)計時賽前體溫升高(P<0.05)，計時賽后無顯著性差異(P>0.05，圖2)。

圖 2 自行車計時賽前后體溫的變化Figure 2. Change of Body Temperature Before and After Cylcle Time Trial

注：與清晨(8:00 a.m.)比較，*P<0.05；與計時賽前比較，#P<0.05，下同。

2.3 清晨和傍晚1 km自行車計時賽時運動成績、功率輸出及生理反應的比較

表 2 清晨和傍晚1 km自行車計時賽時 運動成績、功率輸出及生理反應的比較Table 2 Exercise Performance,Power Output and Physiological Response in Morning or Evening

圖 3 實驗過程中MPO的變化Figure 3. Change of MPO During Test

圖 4 實驗過程中APO的變化Figure 4. Change of APO During Test

注：與200 m比較，aP<0.05；與400 m比較，bP<0.05，下同。

圖 5 實驗過程中AnPO的變化Figure 5. Change of AnPO During Test

圖 6 實驗過程中O2的變化Figure 6. Change of O2 During Test

圖 7 實驗過程中HR的變化Figure 7. Change of HR During Test

2.3 激素水平與物質(zhì)代謝的時程變化

血漿PG、NE、ADR和LA在實驗后即刻升高(P<0.05)，實驗后60 min下降(P<0.05)并恢復至實驗前水平(P>0.05)，各時間點生物節(jié)律(清晨 vs.傍晚)的作用并無顯著性差異(P>0.05)。各時間點血漿Ins、CRT、TTE和FTE在清晨高于傍晚(P<0.05)，GH和Glu則在清晨低于傍晚(P<0.05)；GH在運動后即刻升高(P<0.05)，但與運動后60 min無顯著性差異(P>0.05)；TTE和FTE在實驗后即刻升高(P<0.05)，實驗后60 min下降(P<0.05)并與實驗前無顯著性差異(P>0.05，表3)。

將上述變量實驗后即刻數(shù)值與實驗前數(shù)值之差(△=實驗后即刻-實驗前)作為該變量對于運動的反應，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血漿NE和Glu對運動的反應在清晨高于傍晚(P<0.05，圖8、圖9)，其他變量對運動的反應無生物節(jié)律性(P>0.05)。

表 3 實驗前、實驗后即刻以及實驗后60 min激素水平與物質(zhì)代謝的時程變化Table 3 Time Course of Hormones and Substance Metabolism Before,Immediately and 60 min Post Trial

注：與實驗前比較，aP<0.05；與實驗后即刻比較，bP<0.05；同一時間點與傍晚比較，*P<0.05。

圖 8 血漿NE對運動的反應Figure 8. Plasma NE Response to the Exercise 注：與傍晚(6:00 p.m.)比較，*P<0.05，下同。

圖 9 血漿Glu對運動的反應Figure 9. Plasma Glu Response to the Exercise

3 討論

本研究的主要目的在于探討晝夜生物節(jié)律對男子1 km自行車計時賽運動員運動能力(運動成績和功率輸出)、能量代謝、比賽配速、體溫和激素水平的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1.與清晨(8:00 a.m.)比較，傍晚(6:00 p.m.)時運動成績(計時賽時間)與功率輸出改善，同時伴有氧、無氧供能效率增加以及比賽配速適時調(diào)整。

2.安靜狀態(tài)下傍晚時的口腔體溫高于清晨。

3.安靜時血漿Ins、CRT、TTE和FTE在傍晚低于清晨，而血漿GH和Glu則在傍晚時高于清晨；血漿NE和Glu對運動的反應在清晨高于傍晚。

生物節(jié)律影響運動能力的機制尚未完全明確。研究證實，下丘腦視交叉上核作為晝夜節(jié)律起搏點(生物鐘)通過調(diào)節(jié)多種生命活動影響運動能力[10]，其中體溫波動的作用最為肯定[21]。在本研究中，與清晨相比，傍晚時運動能力增強同時伴安靜時體溫升高，此外清晨和傍晚計時賽后體溫雖均高于賽前，但并無顯著性差異，提示體溫對于急性運動的反應并無晝夜節(jié)律性。體溫升高可上調(diào)代謝酶活性、促進糖原分解和糖酵解、加快ATP再合成，進而提高能量代謝系統(tǒng)的供能效率，因此本研究中傍晚時有氧、無氧工作能力以及總的能量輸出均高于清晨。此外體溫升高還具有降低肌肉粘滯性、擴張血管、增加肌肉血供、有利于肌球蛋白和肌動蛋白的相互作用、增加動作電位的傳導速度、加速代謝產(chǎn)物清除等作用[21]。Bergh等[1]的研究顯示，體溫每下降1℃，運動能力降低5%，然而本研究中清晨與傍晚體溫波動的幅度(0.7℃)似乎并不能完全解釋計時賽成績(7.3%)和功率輸出(18.5%)的變化，因此尚存在其他機制，如神經(jīng)肌肉活性以及激素分泌。關于神經(jīng)肌肉活性目前有兩種假說，即中樞機制(神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉的調(diào)控)與外周機制(肌肉收縮特性、代謝以及肌纖維形態(tài))[6,26,29]。近年來的研究利用不同運動模型和生物技術(表面肌電圖、生物力學等)均發(fā)現(xiàn)，中樞調(diào)控并非肌肉力量和功率輸出存在晝夜節(jié)律的主要原因，外周機制可能起主要作用[19,26,29]。此外，Sedliak等的研究表明[23]，清晨或傍晚訓練后股四頭肌的橫截面積和容量均無顯著性差異。根據(jù)現(xiàn)有的證據(jù)，我們推測，同一天內(nèi)神經(jīng)活性以及肌肉結(jié)構變異的可能性不大，體溫、能量代謝(前兩者已論述)以及激素的晝夜波動則可能對肌肉舒縮功能發(fā)揮關鍵的調(diào)節(jié)效應。

多種激素能夠?qū)\動能力產(chǎn)生深刻影響，其中Ins是機體內(nèi)唯一降血糖激素，同時能夠促進糖原、脂肪和蛋白質(zhì)合成；PG具有促進糖原和脂肪分解以及加強糖異生的作用，可使血糖明顯升高；NE和ADR可加快心率、升高血壓、增加代謝率、促進糖原分解和糖酵解供能；GH能夠促進肌肉蛋白合成、增加肌肉的體積和肌肉力量，此外還具有促進脂肪分解、拮抗Ins、升高血糖等作用；CRT能夠觸發(fā)應激反應，促進分解代謝，維持血壓穩(wěn)定，抑制炎癥反應，與PG和GH可同時提高血糖水平，有利于運動的進行；睪酮是體內(nèi)主要的同化激素，可促進蛋白合成，增加肌肉體積和力量，增加糖原儲備，促進紅細胞生成，維持雄性進攻意識，提高神經(jīng)肌肉工作效率和運動時的功率輸出。上述物質(zhì)均具有生物節(jié)律性，其中ADR和NE含量具有明顯的日節(jié)律變化，峰值出現(xiàn)在7:00～10:30 a.m.和8:00～10:00 p.m.，但運動誘導的ADR峰值則只出現(xiàn)在8:30 a.m.[28]；CRT水平在清晨時達到峰值，隨后呈線性下降并于8:30 p.m.達谷值，但其對急性運動的反應并不存在生物節(jié)律性[8]；GH含量的晝夜生物節(jié)律特點是在清晨最低，睡前2 h最高，但運動后的反應性并無顯著差異[17]；Ins和PG可影響物質(zhì)代謝和運動能力，但運動時的生物節(jié)律性變化尚不得而知。鑒于此我們推測，多種激素與物質(zhì)代謝的晝夜節(jié)律變異可能是自行車運動員運動能力傍晚高于清晨的原因之一。本研究發(fā)現(xiàn)，與傍晚安靜時比較，清晨血漿Ins和CRT升高、GH和Glu降低。CRT升高說明機體處于應激狀態(tài)，同時可上調(diào)血糖水平，Ins升高可部分抵消CRT的升血糖效應，GH下降可在一定程度上降低血糖水平，最終在各種激素的綜合作用下使得清晨Glu低于傍晚。饒有興趣的是，清晨時運動誘導的血漿NE上調(diào)幅度高于傍晚，同時血糖亦出現(xiàn)相似的變化規(guī)律。血漿NE對于清晨運動的高反應性可對抗血糖濃度下降，其機制在于NE可通過直接促進肝臟糖原分解以及間接增加游離脂肪酸動員而上調(diào)血糖含量。我們推測，清晨安靜和運動時機體在相關激素的作用下(安靜時Ins和CRT升高、GH和Glu降低，NE和Glu對運動的反應性升高)形成一種“不利的代謝環(huán)境”，即不利于機體充分調(diào)動其生理機能以及形成最佳競技狀態(tài)。本研究還發(fā)現(xiàn)，清晨安靜時TTE和FTE水平均高于傍晚，且清晨和傍晚運動均可上調(diào)兩者水平。研究證實，一天中睪酮含量在8:00 a.m.最高、8:00 p.m.最低，但其對于急性運動的反應并不存在晝夜節(jié)律性[24]。睪酮基礎水平與沖刺能力以及爆發(fā)素質(zhì)正相關，其水平增加可提高神經(jīng)肌肉募集效率以及快肌纖維對鈣離子的調(diào)節(jié)能力[24]，推測本研究中清晨睪酮水平升高的意義在于一定程度上代償“不利的代謝環(huán)境”。然而在一項以普通大學生為受試對象的研究中[27]，睪酮和CRT等激素的晝夜節(jié)律變異與運動能力(最大力量和功率輸出)無顯著關聯(lián)，并認為激素的晝夜變異幅度較小，因而并未對神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生顯著作用，可能與受試者無訓練經(jīng)歷有關。此外，Teo等[28]指出，只有長期運動誘導同化激素水平增加和/或異化激素水平下降后，內(nèi)分泌系統(tǒng)才能有效發(fā)揮調(diào)節(jié)運動能力的作用。結(jié)合本研究納入的受試對象和研究結(jié)果我們認為，經(jīng)過系統(tǒng)訓練的自行車運動員其內(nèi)分泌系統(tǒng)對于長期運動已產(chǎn)生適應，相對于清晨時各種激素營造的“不利的代謝環(huán)境”，傍晚訓練時機體則處于相對“有利的代謝環(huán)境”，這可能是傍晚時運動能力高于清晨的重要內(nèi)分泌機制。因此，激素水平即同化激素與異化激素的平衡狀態(tài)是決定運動員運動能力生物節(jié)律性的重要因素之一[2,13]。

4 結(jié)論與建議

男子1 km自行車計時賽運動員的運動能力在傍晚高于清晨，其機制可能與傍晚時體溫升高，有氧、無氧代謝系統(tǒng)的供能效率增加，比賽配速調(diào)整以及在相關激素的作用下形成的有利于調(diào)動機體生理機能和保持競技狀態(tài)的代謝環(huán)境有關。

本研究受試對象為國家二級男子自行車運動員，因此所得出的結(jié)論應慎重應用于更高水平(一級、運動健將和國際健將)、女子或者其他項目運動員。今后的研究應以高水平運動員為受試對象，探討運動能力、比賽配速和身體機能的生物節(jié)律特點并進一步闡釋其生理學與分子生物學機制，探索調(diào)整生物節(jié)律的訓練學和非訓練學(營養(yǎng)學、藥理學、物理學等)方法與手段，以達到科學合理安排日常與備賽訓練計劃、預防訓練傷病發(fā)生、保持良好機能能力、獲得最佳競技狀態(tài)、取得優(yōu)異運動成績的目的。

在運動實踐中，賽事組織的時間顯然是不確定的，可能在機體處于“不利代謝環(huán)境”的清晨進行。Chtourou等的研究[6]指出，長期擇時訓練的效果具有明顯的時間節(jié)律特異性，特定時間段(清晨或傍晚)訓練對該時間段運動能力的提高幅度明顯高于其他時間段，即使規(guī)律清晨訓練亦可改善清晨時的運動表現(xiàn)(使運動能力接近甚至超過傍晚時水平)，同時還能夠減弱甚至消除運動能力的日節(jié)律變異，說明運動能力的晝夜節(jié)律性并非一成不變的，可通過擇時訓練進行調(diào)節(jié)。Edwards等[9]進一步對短期擇時訓練效果進行了探索，即對比自行車運動員前1天不同時間段(7:00 a.m vs.12:00 a.m)訓練對第2天清晨測試成績的影響并發(fā)現(xiàn)，前1天7:00 a.m訓練的效果明顯優(yōu)于12:00 a.m，提示運動能力的生物節(jié)律特征能夠?qū)τ柧毎才诺恼{(diào)整做出迅速反應和適應。結(jié)合本研究中激素與物質(zhì)代謝的變化規(guī)律，建議運動員按照運動能力的生物節(jié)律特征科學、合理的安排日常訓練以達到最佳的訓練效果，臨近比賽期間的訓練安排在時間上應盡量與比賽日接近或保持一致，或聯(lián)合其他輔助手段調(diào)節(jié)機體的生物節(jié)律以保證比賽時擁有良好的機能狀態(tài)與競技能力。

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Effects and Mechanism of Daily Biorhythm on Exercise Capacity in Cyclists

HUANG Hua-sheng1,WU Xiao-jun1,WANG Chen-yu2,ZHANG Yan1

dailybiorhythm;cyclists;exercisecapacity;bodytemperature;energymetabolism;hormone

1002-9826(2016)06-0107-08

10.16470/j.csst.201606017

2016-01-07；

2016-09-16

河南省科技攻關重點項目(152102310117)。

黃華生(1978-)，男，壯族，廣西忻城人，講師，碩士，主要研究方向為體育訓練與運動生理，E-mail:ppzyppzy@126.com；吳曉君(1981-)，女，廣西南寧人，講師，碩士，主要研究方向為康復醫(yī)學，E-mail:wuxiaojun@163.com；王晨宇(1975-)，男，河南淮陽人，副教授，博士，主要研究方向為運動訓練與健康促進， E-mail：wchenyu@126.com；張艷(1975-)，女，廣西合浦人，副教授，碩士，主要研究方向為運動訓練與健康促進，E-mail：zhangyan19751106@126.com。

1.廣西中醫(yī)藥大學，廣西 南寧 530200；2.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州 450015 1.Guangxi University of Chinese Medicine,Nanning,530200,China；2.Zhengzhou University of Aeronautics,ZhengZhou,450015,China.

G872.3

A