張　路

北京第29屆奧運(yùn)會(huì)在打破世界紀(jì)錄方面前無(wú)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(lái)的最好成績(jī)——9秒69。決定人類速度的要素是什么，人類最快能達(dá)到多快?

2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)共打破了34項(xiàng)世界紀(jì)錄，2004年的雅典奧運(yùn)會(huì)，則改寫(xiě)了29項(xiàng)世界紀(jì)錄。然而剛剛結(jié)束的北京奧運(yùn)會(huì)則更是刷新了破世界紀(jì)錄的紀(jì)錄，在田徑、游泳、舉重、自行車、射箭、射擊賽場(chǎng)，有24人8隊(duì)46次破38項(xiàng)世界紀(jì)錄；1人平1項(xiàng)世界紀(jì)錄；其中包括兩名中國(guó)選手6次改寫(xiě)4項(xiàng)世界紀(jì)錄。

百米短跑的百年歷史

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

在北京奧運(yùn)會(huì)上，牙買加運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jī)。前一個(gè)成績(jī)打破了他2008年6月1日在美國(guó)紐約跑出的9秒72的世界紀(jì)錄，第二個(gè)成績(jī)打破了美國(guó)著名選手邁克爾·約翰遜于1996年在亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)上創(chuàng)造的男子200米19秒32的世界紀(jì)錄。這還不算，博爾特與其隊(duì)友又創(chuàng)造了4X100米的新世界紀(jì)錄37秒10，而前世界紀(jì)錄是1993年8月21日美國(guó)人創(chuàng)造的37秒40。

博爾特創(chuàng)造的紀(jì)錄再一次提出了一個(gè)人們?cè)诿看涡碌氖澜缂o(jì)錄面前都要重復(fù)的話題：人類百米或短跑的極限在哪里?或者說(shuō)，人類100米跑的速度有無(wú)極限?

要回答這個(gè)問(wèn)題，先要考察人類百年短跑史，然后要通過(guò)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、生物化學(xué)等科學(xué)研究結(jié)果來(lái)回答。

1912年7月6日，美國(guó)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(jì)錄。48年后的1960年，西德運(yùn)動(dòng)員阿明將百米紀(jì)錄改寫(xiě)為10秒整。而跨越這短短0.6秒的時(shí)間，人類用了將近半個(gè)世紀(jì)。1968年100米跑開(kāi)始用電子記時(shí)，海因斯成為第一個(gè)在電子記時(shí)下創(chuàng)造世界紀(jì)錄的人，成績(jī)是9秒95。此后的100米世界紀(jì)錄屢屢被破。

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

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

1991年6月14日：美國(guó)布雷爾達(dá)到9秒90；

1991年8月25日：美國(guó)劉易斯創(chuàng)9秒86；

1994年7月6日：美國(guó)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(yùn)會(huì)上跑出9秒84的新世界紀(jì)錄；

1999年6月16日：美國(guó)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(jì)錄。

屈指算來(lái)，從1912年到2008年這近百年的時(shí)間里，100米紀(jì)錄不過(guò)提高了0.91秒。

基因是決定速度的第一要素?

從歷史長(zhǎng)河中采擷兩朵璀璨的浪花來(lái)比較，可以看出人類100米速度進(jìn)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(gè)48年的周期，100米紀(jì)錄只提高了0.31秒。相比于前面的半個(gè)世紀(jì)，后面半個(gè)世紀(jì)100米成績(jī)的提高只是前者的一半。

也就是說(shuō)，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(gè)信息，人類的體育運(yùn)動(dòng)成績(jī)是既有極限，又沒(méi)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(lái)越小。這似乎是莊子“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭”的另一種表述。換句話說(shuō)，人類運(yùn)動(dòng)極限的突破可能是一個(gè)無(wú)窮數(shù)的問(wèn)題。

決定人類運(yùn)動(dòng)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(xùn)練方式、風(fēng)力、運(yùn)動(dòng)器材(械)的改進(jìn)(如跑道和運(yùn)動(dòng)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(jì)錄后有一個(gè)廣為傳播的故事。牙買加理工大學(xué)教授莫里森等人與牙買加西印度大學(xué)和英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合對(duì)超過(guò)200名牙買加運(yùn)動(dòng)員進(jìn)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(jìn)與瞬間速度有關(guān)的肌肉纖維，而這些肌肉纖維可以使運(yùn)動(dòng)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(shí)Actinen的正確拼法是Actinin，Actinin A也就是α－輔肌動(dòng)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(dòng)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(dòng)蛋白3編碼的基因有兩個(gè)變種，其中R等位基因可以編碼產(chǎn)生輔肌動(dòng)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(yùn)動(dòng)。而α－輔肌動(dòng)蛋白3的另外一種等位基因是x，它并不產(chǎn)生α－輔肌動(dòng)蛋白3，但是與需要有耐力的運(yùn)動(dòng)(如長(zhǎng)跑)有關(guān)。

目前，世界各體育強(qiáng)國(guó)都在瞄準(zhǔn)α－輔肌動(dòng)蛋白3及其基因，但是它們的作用是復(fù)雜的。有的研究還提示，α－輔肌動(dòng)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(dòng)蛋白3只是優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的基因之一，還有許多基因與運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)速度，從而改變運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

人類運(yùn)動(dòng)極限的提高固然與基因有關(guān)，但涉及運(yùn)動(dòng)的基因還有很多。如果這些奧秘能隨時(shí)間的推移而慢慢揭密，將來(lái)當(dāng)然可以為不斷突破運(yùn)動(dòng)極限提供科學(xué)基礎(chǔ)。

供能方式

運(yùn)動(dòng)需要能量的供應(yīng)，而不同的運(yùn)動(dòng)有不同的供能方式，也就是體內(nèi)有不同的生物化學(xué)反應(yīng)和代謝。

對(duì)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(duì)人體運(yùn)動(dòng)供能，包括無(wú)氧代謝供能和有氧代謝供能。無(wú)氧代謝指的是，在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，體內(nèi)處于暫時(shí)缺氧狀態(tài)下的能源物質(zhì)代謝過(guò)程，包括兩個(gè)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(dòng)。因?yàn)锳TP釋放能量供肌肉收縮的時(shí)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(shí)間。100米跑的劇烈運(yùn)動(dòng)是10秒以內(nèi)的快速活動(dòng)，主要是靠ATP－CP系統(tǒng)供給肌肉能量。從這個(gè)意義上來(lái)看，多數(shù)人認(rèn)為人類的100米跑成績(jī)也就在10秒左右。

B、乳酸供能系統(tǒng)，指的是持續(xù)進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉內(nèi)的肌糖元在缺氧狀態(tài)下進(jìn)行酵解，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)，最終在體內(nèi)產(chǎn)生乳酸，同時(shí)釋放能量供肌肉收縮。這一代謝過(guò)程，可供1～3分鐘左右肌肉收縮的時(shí)間，一般是中距離跑運(yùn)動(dòng)的供能模式。

此外，在無(wú)氧代謝中，三磷酸腺苷、磷酸肌酸和肌糖元在消耗后會(huì)在肌肉和血液中產(chǎn)生乳酸，后者是引起疲勞和肌肉機(jī)能下降的重要因素，在100和200米這種劇烈運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dǎo)致血液中的pH值下降。在肌肉疲勞時(shí)，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(shí)釋放大量的能量。

從運(yùn)動(dòng)員完成100～10000米各種距離跑的測(cè)試數(shù)值來(lái)看，100米跑時(shí)無(wú)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(shí)無(wú)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(wú)氧代謝供能這一環(huán)節(jié)上，100米、200米成績(jī)的極限取決于三個(gè)要素。一是肌肉中ATP、CP的含量及分解速度，二是肌糖元的無(wú)氧酵解速度及血液對(duì)乳酸的緩沖能力；三是神經(jīng)、肌肉對(duì)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(dāng)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(lái)自外面，而且來(lái)自內(nèi)部。外部的壓力諸如舉重對(duì)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(gè)方面，一是承受身體的自重，二是承受肌肉收縮發(fā)力對(duì)自身骨骼和肌肉造成的壓力。

骨頭當(dāng)然是人體最強(qiáng)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(hù)對(duì)象。但所有的骨頭都有較強(qiáng)的耐壓力。測(cè)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(guò)，與運(yùn)動(dòng)關(guān)系最大最多的是四肢骨，其中脛骨是人體最堅(jiān)硬的骨頭。脛骨位于小腿的內(nèi)側(cè)。舉重運(yùn)動(dòng)員對(duì)脛骨的依賴最重，他們手舉幾百千克杠鈴而不會(huì)被壓垮就是與堅(jiān)固的脛骨分不開(kāi)。脛骨能承受的重量，可以超過(guò)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(yùn)動(dòng)的極限。運(yùn)動(dòng)員向前跑的動(dòng)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(shí)，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(qiáng)大壓力。生物力學(xué)創(chuàng)始人之一吉迪·B·阿瑞認(rèn)為，若100米速度超過(guò)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(diǎn)撕裂。也就是說(shuō)，人類的100米速度不可能超過(guò)9秒6，阿瑞從1976年推算出這個(gè)極限以來(lái)，還沒(méi)有人打破過(guò)。

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(yùn)動(dòng)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(jiān)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(dòng)起來(lái)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(dú)厚的條件讓她們能完成高難度的體操或雜技動(dòng)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(guò)于小腿的腓腸肌和比目魚(yú)肌，以及與它們相連的跟腱。跟腱全長(zhǎng)37厘米，彈性與優(yōu)質(zhì)橡膠相仿。據(jù)測(cè)算，一個(gè)人以每秒4.5米的中等速度奔跑時(shí)，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(duì)跟腱的壓力更是大過(guò)人體重量的7倍。這也是劉翔以及其他短跑運(yùn)動(dòng)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(dòng)和運(yùn)動(dòng)時(shí)能對(duì)震動(dòng)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(shí)不會(huì)左右搖擺。而猿類幾乎沒(méi)有足弓，所以走起路來(lái)?yè)u搖晃晃，踉踉蹌蹌。

從以上各個(gè)方面來(lái)看，不同的專家、學(xué)者計(jì)算出了人類100米的不同極限。有的認(rèn)為是9秒4，有的認(rèn)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(yù)測(cè)是，人類100米的極限將是9秒1，但都沒(méi)有突破9秒。

不過(guò)，9秒或再進(jìn)一步8秒是不是人類100米的極限也很難說(shuō)。因?yàn)椋?936年杰西·歐文斯的時(shí)代，人們?cè)A(yù)測(cè)人類100米的極限是10秒。但時(shí)間過(guò)去了70年，人類100米就達(dá)到了9秒69。未來(lái)人類100米和其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目當(dāng)然還會(huì)有突破，但突破的大小則取決于上述方方面面的因素。