线粒体在体育中的研究论文

早在2400年前，医学之父希波克拉底就曾说过：阳 光空气水运动这是生命和健康的源泉。运动，是治愈一切的良药。特别是在当下疫情的情况下拥有一个健康的身体是相当有必要的。人人都知道生命在于运动，但只有很少人意识到，保持活跃的生活状态，其实是我们大部分人都能够做到的，而且也是我们改善或保持健康必做的头等大事。定期运动不仅能够降低罹患或死于心脏病、中风及糖尿病的风险，还能预防某些癌症，改善情绪，强健骨骼，强韧肌肉，提高肺活量，减少跌倒及骨折的风险，以及帮助维持健康体重。而上述这些都还只是我们比较熟悉的一些运动的益处而已。在过去几年中，该领域的研究发展迅速，对于运动对健康的益处的研究也日益深入。除了别的好处之外，体育锻炼似乎还能够提升大脑功能(特别是专注力、组织和计划的能力)，减轻某些个体的抑郁及焦虑症状，以及提升免疫系统发现及抵抗某些癌症的能力。此外，研究人员已不再局限于描述定期体育活动对于健康的明显益处，而开始在细胞分子水平，详细研究体育锻炼对于动脉粥样硬化患者和糖尿病人的正面影响。许多研究体育锻炼如何影响人体内各种系统(心血管系统、消化系统、内分泌系统以及神经系统等)的项目发现，大多数对健康的益处都来自体育运动对多种生理活动的中小幅度改善，而非对特定细胞组织中少数生理过程的大幅改变。研究人员还发现，并非只有成为铁人三项运动员才能从锻炼中获益。20年前，预防医学专家几乎只关注高强度运动对于健康的助益。如今，他们也开始强调经常进行中强度运动的益处。在护士健康研究(Nurses’ Health Study)及妇女健康倡议计划(Women's Health Initiative)这两个大型研究项目中，本文作者之一的曼森参与了对于中强度与高强度锻炼对健康助益的比较研究。基于这些研究数据，最新的《美国锻炼指南》(U.S. exercise guideline，2008年出版)建议公众，每周进行至少30分钟的中强度运动(例如快步走)五次或以上，或者每周进行一次75分钟的高强度运动(例如慢跑)，并且每周进行至少两次30分钟以上的肌肉强化运动。对于这些发现进一步的仔细分析，可以让我们认识体育锻炼是如何在不知不觉中保护我们的身体，并保持其正常运作的。即时效应为了全面地理解这些最新的发现，我们先来了解身体如何应对增加的生理需求。对于不同的个体，体育锻炼可能意味着完全不同的运动。从雪鞋健行(snowshoe)到游泳、沙滩漫步，体育锻炼的形式多种多样，运动强度也各不相同。有氧运动会显著地提高肌肉的需氧量，需要肺部高强度工作。它对健康的助益最为人们所了解。但是其他保持在原地不动的锻炼(例如举重或平衡练习)，也有它们的益处。科学家们已经研发了一套严谨的方法，在实验室中测量有氧运动的强度。而一种能够在实验室外更经济地测定运动强度的有效方法，就是说话测试(talk test)。当体育活动达到中等强度时，你的心跳开始加快，呼吸开始加重。只要你还可以边运动边说话或背诵诗歌，你的运动强度就还处于中等水平。如果你运动时一次只能说一两个字，那么你就是在进行高强度的锻炼。如果你运动时还能唱歌的话，那你的运动强度就十分轻微了。无论人体什么时候开始加快步伐，神经系统都会将身体的各个器官调整到相应的运动状态。最初，个体可能会注意到自己感知力变得更敏锐，心跳和呼吸开始加速，身体开始轻微出汗。此刻，人体胃肠道和肾脏这类非运动必需的器官内血流量开始减少。同时，运动肌内的血管开始扩张，以确保肌肉组织中供氧充足，达到最佳工作状态。进入肌肉细胞中的氧气，会进一步渗入一种叫做线粒体(mitochondria)的细胞器中，它们利用氧气来为细胞制造能量。人体将较大的食物颗粒消化吸收，分解成葡萄糖分子， 作为线粒体产能过程的基本燃料。在线粒体中，氧气促使葡萄糖分子发生一种高效产能的氧化反应。在有氧条件下，线粒体中葡萄糖分子的产能效率比无氧条件下高出近20倍。身体首先利用的是以糖原(glycogen)形式存在于肝脏和肌肉组织中的葡萄糖分子。但随着运动的进行，体内可用的糖原很快被耗尽，甘油三酯(triglyceride，一种脂肪)分子成为主要的能量来源。所有这些体内的氧化反应，都会产生一些副产物，例如乳酸和二氧化碳。这些副产物会从肌肉组织渗入血液中，流到身体各个部位。这些副产物水平的升高会促发大脑、肺部和心脏的一系列生化反应，更有效和更轻松地将这些废物从体内清除。一旦体育活动成为了一种习惯，运动对身体的好处就真正开始慢慢积累起来。身体开始习惯体育活动所增加的各种生理需求，个体的耐力随之提高，而身体也变得越来越健康。举例来说，每次呼吸的加深，肺部所处理的氧气量增加，心脏泵出的血液量也会增加。当个体的体育活动量达到或超过美国政府的建议标准后几周内，通常就会出现这些适应性的生理反应，而这些生理反应还会使人体产生一些生理变化，使个体健康得到长期的改善。分子变化体育锻炼对于人体各方面的影响，迄今已积累了庞大的研究数据，从对各个主要器官系统的影响，到对多种基因活性的影响。图表“体育运动的益处”就列举了其中一些主要的研究结论。但是我们在本文里关注的是一些新发现的机理，它们能帮助解释为什么体育锻炼可以拓展我们的认知能力，改善我们控制血糖的能力，加强我们的心血管系统。在运动所带来的益处之中，这些变化对于我们日常生活质量的影响是最大的。运动员们早就发现运动可以提升他们的情绪，改善他们的心理健康。然而，直到2008年科学家才终于能够直接测量所谓的“跑步者的快感”(runner's high)——这是一种长时间运动后，个体所感受到的愉悦感。他们发现，在长跑中，人的大脑会释放出更多的内啡肽(一种能产生愉悦感的鸦片样激素)，而且这种物质会作用于大脑中掌管强烈情绪的区域。(以前的研究只发现血液中内啡呔含量的增加，而并没发现这与大脑中的变化相关。)最近，研究人员开始关注运动产生的大脑化学变化，以及它们如何提高人们的专注力、思维和决策能力。2011年，一项对120位60～70岁老年人所进行的严谨科学实验(即随机对照实验)显示，运动会增加大脑中海马体的体积。该项研究论文的作者提到，海马体中受运动影响的部位其实正是掌管人们对熟悉环境记忆的部位，同时它也是大脑中少数几个能够产生新神经细胞的区域之一(至少在大鼠中如此)。新生神经细胞被认为有助于个体区分相似的不同事物。动物研究还进一步显示，运动可以提高脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的水平，而这种化学物质正是诱发新生神经细胞生长的分子。目前，多项科学研究正在挑战我们对于运动预防心脏疾病的认识。最初，科学家们认为日常锻炼之所以能够降低心血管疾病的患病风险，主要是通过降低血压和减少血液中的低密度脂蛋白胆固醇分子(即坏的胆固醇)含量，提高高密度脂蛋白胆固醇分子(即好的胆固醇)含量。这个结论其实只讲对了部分原因。运动确实能够显著降低一些人的血压，但对于大多数人，运动的这一益处相对较小。而且，通过运动(特别是负重训练一类的阻力锻炼)来提高血液中高密度脂蛋白胆固醇的含量，即使是只提高几个百分点，也需要好几个月的时间。进一步的研究显示，运动对于低密度脂蛋白胆固醇的影响，更重要的是改变该分子的特性，而非降低该分子在血液中的水平。从严格意义上来讲，低密度脂蛋白并不等同于胆固醇，它其实是胆固醇在血液中的载体，就好像运载货物的卡车一样。(胆固醇的脂类组成使其无法溶解在血液的水环境中，因而它必须被包裹在可以溶于水的物质中。)低密度脂蛋白颗粒也有多种不同的大小，就像运载货物可以是面包车，也可以是大卡车。在过去的几年中，越来越多的科学家发现，分子较小的低密度脂蛋白特别危险。例如，它们容易释放出电子，在血管中横冲直撞，破坏其他分子和细胞(可以把它想象成由疯狂司机驾驶的破货车)。另一方面，分子较大的低密度脂蛋白则稳定得多，它随着血液流动，不会撞到任何东西(就好像由专业司机驾驶的大卡车)。目前的研究显示，运动可增加较大的、更安全的低密度脂蛋白的数量，同时降低较小的、更危险的低密度脂蛋白的数量。运动能够增加脂肪和肌肉组织中的脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase)活性，从而改变较大和较小低密度脂蛋白的比率。如果两个人运动的程度不同，即使他们血液中的胆固醇水平相同，他们罹患心脏疾病的风险也会大相径庭。久坐不运动的人体内可能存在大量小分子的低密度脂蛋白，而经常运动的人血液中则可能是大分子的低密度脂蛋白占多数。即使这两个人的胆固醇水平完全相同，前者心脏病发作的风险也可能是后者的数倍。定期运动还能对血液中的另一种重要成分——葡萄糖——产生正面的影响。无论是在静息时还是运动时，肝脏、胰脏和骨骼肌(转动头部、手臂、腿和身体的肌肉)通常会合作无间，以确保身体各部位获得所需的糖分。运动无疑会增加人体对骨骼肌的要求，骨骼肌就会需要更多葡萄糖来满足这些要求。长期来讲，运动还会促使肌肉纤维更有效地利用葡萄糖，这样会使肌纤维更强壮。当身体发出需要更多能量的信号时，肝脏会马上把糖分子释放到血液中，而胰脏则会分泌胰岛素，指示细胞吸收血液中增加的葡萄糖。你可能会认为，这一过程或许会导致餐后或运动后血糖水平的急剧变化，但是在正常人体内，血糖水平却一直被控制在70～140mg/dL的有限范围内(空腹血糖维持在126mg/dL以下)。血糖水平必须保持在70mg/dL以上是因为，葡萄糖是大脑的主要能量来源，大脑对血糖浓度的变化十分敏感。虽然极端的低血糖可能在几分钟内导致昏迷和死亡，但从生理学的角度来看，避免血糖长期处于高浓度水平也同样重要。大致来讲，血液中多余的糖分容易使身体状况变糟，导致细胞过早老化。当体育锻炼成为日常习惯，人体的肌肉组织对胰岛素的敏感性就会提高。这就意味着胰脏不必如此辛苦地运作，就能保持机体内血糖稳定；低浓度的胰岛素就能达到过去高浓度胰岛素所能达到的效果。这对于2型糖尿病患者具有特别的意义，因为他们要保持一个正常血糖值十分困难，这在很大程度上是由于他们对胰岛素产生了耐受性。而且，胰岛素同时也会促进细胞的增殖(即快速产生新细胞)，因此，高浓度的胰岛素会增加罹患乳腺癌和结肠癌的风险。最近，研究发现体育运动还能促进另一种吸收葡萄糖的途径，这种途径不依赖胰岛素。多一种不依赖胰岛素将葡萄糖从血液之中移出，并转移到肌肉细胞的途径，可能为糖尿病的治疗开辟一个新的方向。有趣的是，进行多种不同运动的糖尿病患者，似乎从运动中获益更多。两项大型的随机对照实验发现，将有氧运动与阻力训练结合，比单独一种运动更有助于控制人体的血糖水平。但是，第一项研究由于其实验设计的关系，无法确定参加有氧和阻力结合训练的测试个体比参加单项运动的测试个体受益更多，到底是由于同时进行两种运动的关系，还是由于其运动的总时间较长。本文的作者之一丘奇于是决定针对这一问题，展开第二项实验。他将262位久坐不运动的糖尿病患者分成4 个小组：有氧运动组(在跑步机上行走)，阻力训练组(坐姿划艇、腿推举等运动)，综合组(结合有氧运动和阻力训练的运动)及对照组 。在实验进行的9个月时间里，每个实验组的个体进行体育活动的时间和强度都大致相当(每周大约140分钟)。所有参与实验的个体腰围都有所减少，而且进行了有氧运动的两组人都变得更健康了。但只有综合组个体的血液中HbA1c的含量有显著下降——HbA1c是一个反映过去几个月平均血糖水平的蛋白指标。两种运动的叠加效应暗示，有氧运动和阻力训练对于身体的影响机制不尽相同。目前，美国彭宁顿生物医学研究中心及其他地方的研究人员都在积极探索其中缘由。运动还能通过促进产能的线粒体的形成，来增强肌肉组织。日常的体育锻炼会使肌肉细胞产生一种叫做PGC-1α的蛋白质，这种蛋白质会促使细胞大量制造新的线粒体。细胞内的线粒体越多，细胞利用葡萄糖产能就越多，从而增加肌肉强度，抵抗肌肉疲劳。久坐的危害性既然中强度的体育运动对身体有如此多的好处，你可能会以为每个人都会系紧鞋带，开始出门运动了。但很多美国人甚至还没有达到每次半小时，每周5次以上的中强度运动。只有52%美国成年人达到《美国锻炼指南》中有氧运动的指导标准，仅有29%的人会完成每周两次，每次30分钟的肌肉训练。每5个美国人中，只有1个达到了《美国锻炼指南》中推荐的有氧运动与阻力训练的锻炼标准。要想一下子改变人们久坐不运动的习惯并非易事，因此科学家们开始研究强度较轻、时间较短的运动是否也对健康有好处。他们希望，肯定的研究结果能够促使那些成天蜷缩在沙发里的人尽量多动一下。到目前为止，初步的研究结果显示，即使是最小量的日常运动也有助于延年益寿。2012年，对于六项研究中65.5万美国成年人10年的跟踪调查数据分析发现，每天仅仅花11分钟进行休闲活动的个体，其40岁之后的预期寿命也比不爱动的个体长1.8年。无可否认，那些达到锻炼标准的个体寿命更长，他们的预期寿命比不爱动的个体长3.4年。而那些每天进行60～90分钟体育活动的个体，其预期寿命更是比不爱动的个体长4.8年。即使是最小量的运动也有好处。而且，我们全面审视迄今为止的运动研究后，结果显示，如果增加运动量，大多数人会在其中受益。例如，如果他们一般进行轻度运动，就适当进行中强度运动，或者如果他们一般进行中强度运动，就增加短时间的剧烈运动。也许，对于现今坐在办公室里的知识型工作者来说，最坏的消息是，就算你在进行少量高强度的训练，每天的闲暇时间坐上六个多小时也是有害的。这是坐着这个姿势本身的原因，还是与久坐不动造成的缺乏运动有关，还是个未知数。鉴于越来越多层出不穷的证据证明了体力活动对健康的好处，启示是明确的。定期进行长时间运动——将强度级别控制在安全范围内——需要成为每个人的日常习惯，而整个社会需要形成锻炼的风气。锻炼应该像现在人们一出门就跳进汽车里那样常见。我们强烈建议，医生和其他卫生保健工作者在人们来进行常规检查时，在处方上写上“定期运动”。此外，在现今社会，人们常常久坐，但也有一些行为模式，公共卫生运动和城市设计的变化是有利于人们增加体力活动水平的，我们建议应该对这些有利于人们增加体力活动水平的因素进行更深入的研究。