９秒６９與人類運動極限

張　路

北京第29屆奧運會在打破世界紀錄方面前無古人。博爾特在代表人類最快最經(jīng)典的100米跑中創(chuàng)造迄今以來的最好成績——9秒69。決定人類速度的要素是什么，人類最快能達到多快?

2000年悉尼奧運會共打破了34項世界紀錄，2004年的雅典奧運會，則改寫了29項世界紀錄。然而剛剛結(jié)束的北京奧運會則更是刷新了破世界紀錄的紀錄，在田徑、游泳、舉重、自行車、射箭、射擊賽場，有24人8隊46次破38項世界紀錄；1人平1項世界紀錄；其中包括兩名中國選手6次改寫4項世界紀錄。

百米短跑的百年歷史

田徑是運動之母，而100米短跑又是田徑運動的王冠。從100米短跑著手，可以舉一反三，深刻理解人類運動的本質(zhì)和極限。同時，這也是為何人們最津津樂道博爾特破100米、200米紀錄的原因。

在北京奧運會上，牙買加運動員博爾特在男子100米、200米。和4X100接力比賽中三次刷新世界紀錄。這位身高1，96米、體重88千克、22歲的短跑名將跑出了100米9秒69和200米19秒30的最好成績。前一個成績打破了他2008年6月1日在美國紐約跑出的9秒72的世界紀錄，第二個成績打破了美國著名選手邁克爾·約翰遜于1996年在亞特蘭大奧運會上創(chuàng)造的男子200米19秒32的世界紀錄。這還不算，博爾特與其隊友又創(chuàng)造了4X100米的新世界紀錄37秒10，而前世界紀錄是1993年8月21日美國人創(chuàng)造的37秒40。

博爾特創(chuàng)造的紀錄再一次提出了一個人們在每次新的世界紀錄面前都要重復的話題：人類百米或短跑的極限在哪里?或者說，人類100米跑的速度有無極限?

要回答這個問題，先要考察人類百年短跑史，然后要通過生理學、運動力學、生物化學等科學研究結(jié)果來回答。

1912年7月6日，美國人唐納德在瑞典斯德哥爾摩創(chuàng)造了10秒6的100米世界紀錄。48年后的1960年，西德運動員阿明將百米紀錄改寫為10秒整。而跨越這短短0.6秒的時間，人類用了將近半個世紀。1968年100米跑開始用電子記時，海因斯成為第一個在電子記時下創(chuàng)造世界紀錄的人，成績是9秒95。此后的100米世界紀錄屢屢被破。

1983年7月3日：美國的史密斯創(chuàng)造出了9秒93的世界紀錄；

1988年9月24日：美國的劉易斯創(chuàng)造了9.92的新世界紀錄；

1991年6月14日：美國布雷爾達到9秒90；

1991年8月25日：美國劉易斯創(chuàng)9秒86；

1994年7月6日：美國布雷爾創(chuàng)9秒85；

1996年7月27日：加拿大貝利在亞特蘭大奧運會上跑出9秒84的新世界紀錄；

1999年6月16日：美國格林創(chuàng)9秒79；

2005年6月14日：牙買加鮑威爾創(chuàng)9秒77；

2007年9月9日：牙買加鮑威爾再創(chuàng)9秒74；

2008年6月1日：牙買加博爾特跑出9秒72；

2008年8月16日：牙買加博爾特以9秒69再次刷新世界紀錄。

屈指算來，從1912年到2008年這近百年的時間里，100米紀錄不過提高了0.91秒。

基因是決定速度的第一要素?

從歷史長河中采擷兩朵璀璨的浪花來比較，可以看出人類100米速度進展的緩慢和艱難。從1912年到1960年的48年中，人類100米速度提高了0.6秒。但是，從1960年到2008年的又一個48年的周期，100米紀錄只提高了0.31秒。相比于前面的半個世紀，后面半個世紀100米成績的提高只是前者的一半。

也就是說，越往前走，人類100米的速度越提高得慢，幾乎成倍數(shù)遞減。這就傳遞了一個信息，人類的體育運動成績是既有極限，又沒有極限。例如，100米速度是在不斷地突破，但突破的刻度卻越來越小。這似乎是莊子“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”的另一種表述。換句話說，人類運動極限的突破可能是一個無窮數(shù)的問題。

決定人類運動速度的要素有很多，但主要的因素有，肌肉類型、神經(jīng)反應(yīng)、肌肉供能、骨骼承受力、人體結(jié)構(gòu)等，另外還有一些輔助要素，如訓練方式、風力、運動器材(械)的改進(如跑道和運動服裝等)。

人類的奔跑速度要提高，首先與肌肉收縮有關(guān)。在博爾特創(chuàng)造新的世界紀錄后有一個廣為傳播的故事。牙買加理工大學教授莫里森等人與牙買加西印度大學和英國格拉斯哥大學的科學家聯(lián)合對超過200名牙買加運動員進行研究，發(fā)現(xiàn)有70％的人體內(nèi)擁有一種名為Actinen A的物質(zhì)，這種物質(zhì)可以改進與瞬間速度有關(guān)的肌肉纖維，而這些肌肉纖維可以使運動員跑得更快。相比之下，澳大利亞田徑選手中只有30％的人體內(nèi)含有Actinen A。

其實Actinen的正確拼法是Actinin，Actinin A也就是α－輔肌動蛋白，即人體快肌纖維中的一種蛋白。這種蛋白也分幾種，目前比較明確的是α－輔肌動蛋白3(ACTN3)與肌肉的收縮有關(guān)。ACTN3可直接結(jié)合一種肌絲蛋白actin，后者是肌肉收縮中必需的蛋白。但是，為α－輔肌動蛋白3編碼的基因有兩個變種，其中R等位基因可以編碼產(chǎn)生輔肌動蛋白，后者只是在快速肌肉纖維中可以找到，而這些纖維的作用就是提供短跑選手所需的爆發(fā)力和速度，所以R等位基因適宜于短(快)跑和舉重等運動。而α－輔肌動蛋白3的另外一種等位基因是x，它并不產(chǎn)生α－輔肌動蛋白3，但是與需要有耐力的運動(如長跑)有關(guān)。

目前，世界各體育強國都在瞄準α－輔肌動蛋白3及其基因，但是它們的作用是復雜的。有的研究還提示，α－輔肌動蛋白3基因也與人的侵略性基因相關(guān)聯(lián)。而且α－輔肌動蛋白3只是優(yōu)秀運動員的基因之一，還有許多基因與運動天分有關(guān)，如另一種稱為血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(AcE)的基因，它產(chǎn)生的ACE可以影響人體肌肉的氧氣利用率以及肌肉的生長速度，從而改變運動成績。

人類運動極限的提高固然與基因有關(guān)，但涉及運動的基因還有很多。如果這些奧秘能隨時間的推移而慢慢揭密，將來當然可以為不斷突破運動極限提供科學基礎(chǔ)。

供能方式

運動需要能量的供應(yīng)，而不同的運動有不同的供能方式，也就是體內(nèi)有不同的生物化學反應(yīng)和代謝。

對肌肉的供能有幾種物質(zhì)，如三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸(CP)、肌糖元、脂肪等，它們是在不同條件下對人體運動供能，包括無氧代謝供能和有氧代謝供能。無氧代謝指的是，在劇烈運動時，體內(nèi)處于暫時缺氧狀態(tài)下的能源物質(zhì)代謝過程，包括兩個供能系統(tǒng)。

A、非乳酸供能(ATP－CP)系統(tǒng)，一般可維持lO秒鐘的肌肉活動。因為ATP釋放能量供肌肉收縮的時間僅為1～3秒，此后要靠CP分解提供能量。但肌肉中cP的含量也只能夠供ATP合成后再分解供能，可以維持6～8秒肌肉收縮的時間。100米跑的劇烈運動是10秒以內(nèi)的快速活動，主要是靠ATP－CP系統(tǒng)供給肌肉能量。從這個意義上來看，多數(shù)人認為人類的100米跑成績也就在10秒左右。

B、乳酸供能系統(tǒng)，指的是持續(xù)進行劇烈運動時，肌肉內(nèi)的肌糖元在缺氧狀態(tài)下進行酵解，經(jīng)過一系列化學反應(yīng)，最終在體內(nèi)產(chǎn)生乳酸，同時釋放能量供肌肉收縮。這一代謝過程，可供1～3分鐘左右肌肉收縮的時間，一般是中距離跑運動的供能模式。

此外，在無氧代謝中，三磷酸腺苷、磷酸肌酸和肌糖元在消耗后會在肌肉和血液中產(chǎn)生乳酸，后者是引起疲勞和肌肉機能下降的重要因素，在100和200米這種劇烈運動中尤為明顯。100米起跑后5～10秒，肌肉活檢表明三磷酸腺苷和磷酸肌酸明顯消耗，乳酸有較大量堆積，主要發(fā)生在快肌纖維中，有時肌肉中乳酸可增加約30倍。乳酸在體液中離解成乳酸根離子和氫離子，并導致血液中的pH值下降。在肌肉疲勞時，肌肉中pH值大約在6.5～6.6之間，血液中的pH值大約在6.9～7.1之間。因此，供能后的乳酸堆積也是影響短跑速度的重要因素。

而有氧代謝是在氧充足的條件下，肌糖元或脂肪徹底氧化分解，最終生成二氧化碳和水，同時釋放大量的能量。

從運動員完成100～10000米各種距離跑的測試數(shù)值來看，100米跑時無氧代謝供能占96％，而血乳酸為32％，三磷酸腺苷－磷酸肌酸供能占主要成分。400米和800米跑時無氧代謝供能分別為92％和77％，血乳酸接近32％。5000米和10000米跑有氧代謝占主要地位，血乳酸明顯下降。

因此，在無氧代謝供能這一環(huán)節(jié)上，100米、200米成績的極限取決于三個要素。一是肌肉中ATP、CP的含量及分解速度，二是肌糖元的無氧酵解速度及血液對乳酸的緩沖能力；三是神經(jīng)、肌肉對缺氧和乳酸堆積的耐受能力。

人體結(jié)構(gòu)和骨肌肉的承受力

當然，人類100米速度還取決于身體結(jié)構(gòu)以及骨骼和肌肉能耐受多大的壓力。這種壓力不僅來自外面，而且來自內(nèi)部。外部的壓力諸如舉重對身體的壓力和跳高需要脫離地心引力的壓力。而內(nèi)部壓力也分兩個方面，一是承受身體的自重，二是承受肌肉收縮發(fā)力對自身骨骼和肌肉造成的壓力。

骨頭當然是人體最強大的支撐系統(tǒng)，尤如一幢建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。人體有206塊骨頭，各有不同的保護對象。但所有的骨頭都有較強的耐壓力。測量表明，每平方厘米骨頭能承受2100千克的壓力，比花崗石還能抗壓，后者是每平方厘米承受1350千克。

不過，與運動關(guān)系最大最多的是四肢骨，其中脛骨是人體最堅硬的骨頭。脛骨位于小腿的內(nèi)側(cè)。舉重運動員對脛骨的依賴最重，他們手舉幾百千克杠鈴而不會被壓垮就是與堅固的脛骨分不開。脛骨能承受的重量，可以超過人體平均重量的20多倍。

肌肉是附著在骨骼上的組織，它們也決定著人類運動的極限。運動員向前跑的動力大部分是由股四頭肌收縮提供的，股四頭肌又與膝蓋連接。跑步時，肌肉、關(guān)節(jié)和骨頭都需要承受這種由肌肉收縮發(fā)出的強大壓力。生物力學創(chuàng)始人之一吉迪·B·阿瑞認為，若100米速度超過9.6秒，肌肉收縮所產(chǎn)生的力量足以造成四頭肌腱和膝蓋連接點撕裂。也就是說，人類的100米速度不可能超過9秒6，阿瑞從1976年推算出這個極限以來，還沒有人打破過。

人體結(jié)構(gòu)中僅骨頭和關(guān)節(jié)的緩沖力也制約著人類運動的速度。例如，人體有緩減壓力的三根“彈簧”。第一根“彈簧”在脊柱上，是脊椎骨之間的“海綿軟墊”——椎間盤。它由內(nèi)、外兩部分組成：外部是堅韌而富有彈性的纖維環(huán)，內(nèi)部是白色而有彈性的膠狀物質(zhì)的髓核。這種結(jié)構(gòu)可以使脊柱承受壓力、吸收震蕩、減輕沖擊。不同部位的椎間盤，厚度是不一樣的：胸部中段最薄，腰部最厚，因而腰部活動起來方便得多。女性腰部的椎間盤比男性厚，而且空隙也要大。這種得天獨厚的條件讓她們能完成高難度的體操或雜技動作。

人體的第二根“彈簧”是腿部的肌肉以及連接肌肉和骨骼的肌腱。其中，最優(yōu)秀的莫過于小腿的腓腸肌和比目魚肌，以及與它們相連的跟腱。跟腱全長37厘米，彈性與優(yōu)質(zhì)橡膠相仿。據(jù)測算，一個人以每秒4.5米的中等速度奔跑時，地面的最大作用力大約是人體重量的2.8倍，而跟腱承受的力量約等于人體重量的7倍。如果以100米10秒的速度奔跑，則地面對跟腱的壓力更是大過人體重量的7倍。這也是劉翔以及其他短跑運動員為何跟腱容易受傷的原因，也就有了“阿喀琉斯之踵”神話的千古流傳。

最后一根“彈簧”是足弓，它是腳底的拱形結(jié)構(gòu)。足弓有兩重作用。一是減輕腳的壓力。有了足弓，人的體重大約52％可落在腳后跟上，余下的可落在拇趾跖骨頭和小趾跖骨上。有了足弓，腳就富于彈性，勞動和運動時能對震動起緩沖作用。足弓的第二種作用是讓人保持平衡。有了足弓，體重就落在腳后跟、拇趾跖骨頭和小趾跖骨頭組成的“三腳架”上，走路、跑步時不會左右搖擺。而猿類幾乎沒有足弓，所以走起路來搖搖晃晃，踉踉蹌蹌。

從以上各個方面來看，不同的專家、學者計算出了人類100米的不同極限。有的認為是9秒4，有的認為是9秒29，還有的精確到9秒6543～9秒6545之間。最為大膽的預測是，人類100米的極限將是9秒1，但都沒有突破9秒。

不過，9秒或再進一步8秒是不是人類100米的極限也很難說。因為，在1936年杰西·歐文斯的時代，人們曾預測人類100米的極限是10秒。但時間過去了70年，人類100米就達到了9秒69。未來人類100米和其他運動項目當然還會有突破，但突破的大小則取決于上述方方面面的因素。