第一章　运动的生理学基础

第一节　运动对心脏及循环系统的影响

运动指令是由大脑皮层的中枢系统下达的。当我们准备开始运动，大脑皮层就会通过神经体液的调节将指令信号下达给心脏和循环系统。这就是为什么即使肌肉还没有开始工作，只要我们站在起跑线上或准备进入运动状态就会开始心跳加快、血流加速。

运动中机体的血流分布

运动一旦开启后，随着运动量或运动时间的增加，骨骼肌的整体做功总量会逐渐递增，这就需要更多的能量供给，以满足机体的需求。我们知道能量的来源主要是有氧代谢产生的腺苷三磷酸，而氧气主要通过呼吸的气体交换，进入血液，然后通过心脏泵的作用输送给全身各个器官和组织。最大强度的运动时，人体的每分钟单位时间内的循环血流量，会比安静状态时增加5倍。但各个组织器官并不是均衡增加，其中骨骼肌由于做功最多，所以血流量增加最大，可达安静状态的20倍；其他器官，心脏血流量增加约5倍，皮肤血流量增加约2倍，脑部血流量增加约1.3倍；而肝脏和肾脏的血流量则会相对减少，肝脏血流量约为安静状态时的35%～40%，肾脏血流量约为安静状态时的20%～25%。运动中循环血流量的增加和重新分配，有利于满足运动时机体对氧的需求，但如果进行长时间、大强度运动，则会给血流量减少的肝脏和肾脏带来危害。

运动中心搏出量和心输出量的反应

运动中，心脏作为泵血的动力系统，会将每分钟增加的血流量源源不断地输送给全身。心脏每分钟泵出的血流量叫作心输出量，心脏每跳动一次泵出的血流量叫作心搏出量，二者的关系是：心输出量=心搏出量*心率（心脏每分钟跳动的次数）。最大运动强度时，心脏每分钟的血流量可以增加至安静状态时的5倍，其中心搏出量增加约为安静状态时的2倍，心率增加为安静状态时的2～2.5倍。中等强度以下的运动，主要是心搏出量的增加明显，心率增加不显著；中等强度以上的运动，主要是心率增加明显，心搏出量基本不再增加。因此，心脏康复患者进行有氧运动时，建议选择进行中等强度运动，其目的就是在不过度增加心率负荷的前提下，让心脏的泵功能得到充分的训练。

运动中自主神经的反应调节

运动开始前，首先由大脑皮层下达指令，随后延髓循环和呼吸中枢通过交感神经和迷走神经的信号调节作用，支配心血管系统和呼吸系统，通过加大心肌收缩力和潮气量，提高心率和呼吸频率等，以达到心输出量和通气量的增加。运动开启后，肌肉中的压力感受器和化学感受器，通过感受肌肉收缩、舒张的压迫和运动代谢产生的乳酸、电解质等变化，反馈信号回延髓，用以校正延髓对循环和呼吸系统的进一步信号调节。随着运动的进行，血液动力会对主动脉弓和颈动脉窦的压力感受器产生作用，通过压力感受器的反馈机制将信号回传给延髓的循环与呼吸中枢做出调节；同时主动脉体和颈动脉体的化学感受器可以感知血液中氧、二氧化碳含量及pH的变化，从而反馈回延髓中枢，做出进一步的指令。一言以蔽之，运动中自主神经的调节是在大脑皮层高级中枢的前置指令、延髓循环和呼吸中枢的调节，以及周围系统的压力感受器和化学感受器反馈作用的相互校正下，精准地对血液动力和通气功能进行着不断的优化以适应运动对能量的需要。

运动中血压的应答

首先，我们来看一下静态的运动。比如，掰手腕，持续的发力，保持一种静态的等长收缩的状态。这时候，心率和血压都是会较之安静状态上升的。这一反应的调节，主要是由肌肉的收缩和肌肉能量代谢刺激肌肉的压力感受器和化学感受器向中枢发出反馈调节；同时由于周围传出的交感神经活性的增加，肾上腺髓质的儿茶酚胺分泌增加，非活动脏器和组织的血管抵抗增加，从而共同导致了动脉收缩压和舒张压都显著升高。动态的运动，对于血压的应答相对复杂。比如，在进行中等强度的有氧跑步运动时，一方面由于肌肉的收缩带来血压升高的反馈，另一方面活动肌肉的血管扩张又会带来降低血压的作用。因此，一般动脉的收缩压会升高、动脉的舒张压会下降或保持不变，从而使平均血压的整体应答变化没有静态运动的显著。

近年来，随着研究的深入，许多病理状态下的血压应答状况相继被报道。比如，心力衰竭患者由于心脏的泵血功能下降，安静状态下血压较低，运动中肌肉的压力感受器反射亢进而肌肉的化学感受器反射减弱，从而引起肌肉反射性血压反应亢进的效果，升压应答明显。再如，原发性高血压患者安静状态下血压较高，静态运动中血压会大幅度上升，经研究表明，这是肌肉压力感受器反射和化学感受器反射一同亢进的结果。所以对于高血压的人群，在静态运动的过程中要特别关注血压的应答变化，以保证自身在运动过程中的安全。

运动中肌肉血流量的应答

安静状态下，肌肉的血流量占心输出量的15%～20%，对比心脏和一些脏器组织是相对偏少的。运动后，由于血流的再分配及肌肉收缩带来的肌肉血管床的扩张，会使肌肉的血流量增加。

在规律的等张运动中，比如伸屈膝的运动，运动开始后大腿动脉的血流量会急剧地增加3～4倍，这一阶段主要是肌肉的机械刺激降低了静脉压，提高了肌肉的灌注压的效果；随后，在静脉回流增加和心输出量增加的作用下，肌肉的血流量进一步增加；随着运动的持续，肌肉活动的能量代谢需求和循环调节的能量供给达到平衡时，肌肉的血流量开始稳定并维持在一定水平。不同的运动强度，不同的肌肉收缩频率，使得肌肉血流量增加的程度不同。对于大肌肉群的规律性运动而言，血流量的增加主要由运动负荷决定；对于小肌肉群的规律运动，当负荷强度达到最大肌力的25%时，肌肉的血流量增加开始受到抑制，当负荷强度达到30%以上时则血流量达到平台，往往不再增加。而且，肌肉在收缩期和舒张期，以及对应不同的心脏的舒张与收缩，肌肉血流量的增加也不尽相同。比如，肌肉的收缩期间，随着负荷的加大，肌内压升高，但无论是心脏收缩期的肌肉收缩运动还是心脏舒张期的收缩运动，血流量增加值都没有明显的变化。相反，肌肉的舒张期间，随着负荷的加大，无论是心脏收缩期还是舒张期的肌肉舒张运动，血流量都随负荷增加而显著增加。总结起来，大腿下肢大肌肉群的规律性运动，肌肉的血流量在肌肉收缩期因肌内压的增加而使得增量不显著，特别是在肌肉收缩处于心脏的舒张期，而且血流量增加的程度与负荷量基本无关；肌肉的血流量在肌肉舒张期间显著增加，特别是在肌肉舒张处于心脏的收缩期的时候，而且血流量增加程度与负荷量直接相关。

静态的运动，比如等长收缩时，肌肉的血流量由于一段时间内的高肌肉收缩张力，使之增加受到限制，受限程度与肌内压持续的血管床压迫程度相关；收缩后的舒张期，随收缩期张力的程度不同血流量增加的程度也不相同。但收缩期和舒张期血流增加的差异不大，而且基本不受心脏舒张和收缩的影响。

运动中眼底血流量的应答

运动中，无论是动态的踏车运动还是静态的握力运动，都会增加脉络膜的血流量。但在持续的高强度运动或疲劳状态下，视网膜的循环血流量会出现低于安静状态的情况，这是过度换气引发的二氧化碳压力下降的代谢性影响的结果；而且恢复期视网膜和脉络膜的循环血流量会持续低于安静状态，长此以往将会对视觉机能造成损伤。

运动中内脏血流量的应答

内脏，主要包括胃、肠、肝脏、脾脏以及胰脏。这些组织器官的血液供给是通过复杂的动脉网络系统实现的。胃、肠、脾脏和胰脏的毛细血管汇集血液后，和门静脉会合后一同流入肝脏。肝脏70%的血液由门静脉供给，30%由腹腔动脉分出的肝动脉供给。通过肝脏循环汇入肝静脉，最后注入下腔静脉回流入心脏。内脏的血流量大约为每分钟1 500毫升，约占心输出量的25%。

运动时，心率和心输出量增加，内脏组织血管在增加的交感神经活性的作用下收缩，使得血液优先分配到活动的骨骼肌。一般来讲，最大运动强度30%（心率大约100次/分）的运动开始，内脏的血流量开始减少；随后随着心率的增加而进一步减少，最大运动强度时约减少到安静状态的30%的程度。运动中内脏血流量的减少和交感神经的调节，以及血浆中去甲肾上腺素的增加密切相关。

运动中皮肤血流量的应答

皮肤血流的主要生理作用是调节体温，常温下的安静状态，皮肤的血流量为每分钟0.2～0.3升，约占心输出量的5%。身体内部深层的热量通过血流源源不断地被输送到皮肤，然后散发到周围环境中。随着温度升高，人体皮肤的血管扩张，血流量增加。特别炎热的环境下，皮肤的血流量可以增加到每分钟8升，约占心输出量的60%。另一方面，寒冷使得皮肤血管收缩，严寒的环境下，皮肤血流量可以减少至每分钟0.1升以下（近乎为0）。皮肤血管的这一收缩扩张的运动是在交感神经的肾上腺素性收缩和胆碱性扩张的共同调节下实现的。

刚开始运动的时候，为保证血流充分地供给活动的肌肉，皮肤血管的反应是收缩状态，有毛的皮肤部分不如无毛皮肤部分明显，这是由交感神经的肾上腺素性收缩作用来调控的。随着运动的持续进行，身体深部的体温升高，手指手掌等无毛皮肤的血流量增加，血管扩张反应和运动强度成正比。随着运动的持续进行，有毛皮肤的血流量受到身体深部体温阈值的影响。运动强度越大，身体深部体温阈值就越高，有毛皮肤血管的扩张活动就开始得越晚。炎热环境下，中等程度以上的长时间运动，在有毛皮肤的血流量达到最大程度之前，38℃前后的深部体温作为抑制点，使得皮肤血流量的增加受到限制。皮肤的血管扩张和出汗，使得血浆量减少，这样会造成心脏充盈和血压动力的降低。机体为应对这一不良反应，形成了上述增加深部体温阈值和设定抑制血流增加控制点的保护机制。因此，在炎热的季节，如果进行长时间的运动，一定要及时补充水分，以确保循环功能和散热功能的维持。

长期的运动训练，可以有效地改善有毛皮肤的血管扩张功能。例如，6～10天的夏日训练或坚持数周的耐力性运动，可以使得控制皮肤血管扩张和发汗的身体深部体温调节阈值下降，从而起到改善皮肤血管扩张功能的效果。运动训练降低了有毛皮肤血管扩张的体温阈值，从而使得安静时的体温得以下降；这一运动训练的适应性反应效果，提高了在炎热环境下进行耐力性运动的能力。