９秒６９与人类运动极限

张　路

北京第29届奥运会在打破世界纪录方面前无古人。博尔特在代表人类最快最经典的100米跑中创造迄今以来的最好成绩——9秒69。决定人类速度的要素是什么，人类最快能达到多快?

2000年悉尼奥运会共打破了34项世界纪录，2004年的雅典奥运会，则改写了29项世界纪录。然而刚刚结束的北京奥运会则更是刷新了破世界纪录的纪录，在田径、游泳、举重、自行车、射箭、射击赛场，有24人8队46次破38项世界纪录；1人平1项世界纪录；其中包括两名中国选手6次改写4项世界纪录。

百米短跑的百年历史

田径是运动之母，而100米短跑又是田径运动的王冠。从100米短跑着手，可以举一反三，深刻理解人类运动的本质和极限。同时，这也是为何人们最津津乐道博尔特破100米、200米纪录的原因。

在北京奥运会上，牙买加运动员博尔特在男子100米、200米。和4X100接力比赛中三次刷新世界纪录。这位身高1，96米、体重88千克、22岁的短跑名将跑出了100米9秒69和200米19秒30的最好成绩。前一个成绩打破了他2008年6月1日在美国纽约跑出的9秒72的世界纪录，第二个成绩打破了美国著名选手迈克尔·约翰逊于1996年在亚特兰大奥运会上创造的男子200米19秒32的世界纪录。这还不算，博尔特与其队友又创造了4X100米的新世界纪录37秒10，而前世界纪录是1993年8月21日美国人创造的37秒40。

博尔特创造的纪录再一次提出了一个人们在每次新的世界纪录面前都要重复的话题：人类百米或短跑的极限在哪里?或者说，人类100米跑的速度有无极限?

要回答这个问题，先要考察人类百年短跑史，然后要通过生理学、运动力学、生物化学等科学研究结果来回答。

1912年7月6日，美国人唐纳德在瑞典斯德哥尔摩创造了10秒6的100米世界纪录。48年后的1960年，西德运动员阿明将百米纪录改写为10秒整。而跨越这短短0.6秒的时间，人类用了将近半个世纪。1968年100米跑开始用电子记时，海因斯成为第一个在电子记时下创造世界纪录的人，成绩是9秒95。此后的100米世界纪录屡屡被破。

1983年7月3日：美国的史密斯创造出了9秒93的世界纪录；

1988年9月24日：美国的刘易斯创造了9.92的新世界纪录；

1991年6月14日：美国布雷尔达到9秒90；

1991年8月25日：美国刘易斯创9秒86；

1994年7月6日：美国布雷尔创9秒85；

1996年7月27日：加拿大贝利在亚特兰大奥运会上跑出9秒84的新世界纪录；

1999年6月16日：美国格林创9秒79；

2005年6月14日：牙买加鲍威尔创9秒77；

2007年9月9日：牙买加鲍威尔再创9秒74；

2008年6月1日：牙买加博尔特跑出9秒72；

2008年8月16日：牙买加博尔特以9秒69再次刷新世界纪录。

屈指算来，从1912年到2008年这近百年的时间里，100米纪录不过提高了0.91秒。

基因是决定速度的第一要素?

从历史长河中采撷两朵璀璨的浪花来比较，可以看出人类100米速度进展的缓慢和艰难。从1912年到1960年的48年中，人类100米速度提高了0.6秒。但是，从1960年到2008年的又一个48年的周期，100米纪录只提高了0.31秒。相比于前面的半个世纪，后面半个世纪100米成绩的提高只是前者的一半。

也就是说，越往前走，人类100米的速度越提高得慢，几乎成倍数递减。这就传递了一个信息，人类的体育运动成绩是既有极限，又没有极限。例如，100米速度是在不断地突破，但突破的刻度却越来越小。这似乎是庄子“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的另一种表述。换句话说，人类运动极限的突破可能是一个无穷数的问题。

决定人类运动速度的要素有很多，但主要的因素有，肌肉类型、神经反应、肌肉供能、骨骼承受力、人体结构等，另外还有一些辅助要素，如训练方式、风力、运动器材(械)的改进(如跑道和运动服装等)。

人类的奔跑速度要提高，首先与肌肉收缩有关。在博尔特创造新的世界纪录后有一个广为传播的故事。牙买加理工大学教授莫里森等人与牙买加西印度大学和英国格拉斯哥大学的科学家联合对超过200名牙买加运动员进行研究，发现有70％的人体内拥有一种名为Actinen A的物质，这种物质可以改进与瞬间速度有关的肌肉纤维，而这些肌肉纤维可以使运动员跑得更快。相比之下，澳大利亚田径选手中只有30％的人体内含有Actinen A。

其实Actinen的正确拼法是Actinin，Actinin A也就是α－辅肌动蛋白，即人体快肌纤维中的一种蛋白。这种蛋白也分几种，目前比较明确的是α－辅肌动蛋白3(ACTN3)与肌肉的收缩有关。ACTN3可直接结合一种肌丝蛋白actin，后者是肌肉收缩中必需的蛋白。但是，为α－辅肌动蛋白3编码的基因有两个变种，其中R等位基因可以编码产生辅肌动蛋白，后者只是在快速肌肉纤维中可以找到，而这些纤维的作用就是提供短跑选手所需的爆发力和速度，所以R等位基因适宜于短(快)跑和举重等运动。而α－辅肌动蛋白3的另外一种等位基因是x，它并不产生α－辅肌动蛋白3，但是与需要有耐力的运动(如长跑)有关。

目前，世界各体育强国都在瞄准α－辅肌动蛋白3及其基因，但是它们的作用是复杂的。有的研究还提示，α－辅肌动蛋白3基因也与人的侵略性基因相关联。而且α－辅肌动蛋白3只是优秀运动员的基因之一，还有许多基因与运动天分有关，如另一种称为血管紧张素转换酶(AcE)的基因，它产生的ACE可以影响人体肌肉的氧气利用率以及肌肉的生长速度，从而改变运动成绩。

人类运动极限的提高固然与基因有关，但涉及运动的基因还有很多。如果这些奥秘能随时间的推移而慢慢揭密，将来当然可以为不断突破运动极限提供科学基础。

供能方式

运动需要能量的供应，而不同的运动有不同的供能方式，也就是体内有不同的生物化学反应和代谢。

对肌肉的供能有几种物质，如三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸(CP)、肌糖元、脂肪等，它们是在不同条件下对人体运动供能，包括无氧代谢供能和有氧代谢供能。无氧代谢指的是，在剧烈运动时，体内处于暂时缺氧状态下的能源物质代谢过程，包括两个供能系统。

A、非乳酸供能(ATP－CP)系统，一般可维持lO秒钟的肌肉活动。因为ATP释放能量供肌肉收缩的时间仅为1～3秒，此后要靠CP分解提供能量。但肌肉中cP的含量也只能够供ATP合成后再分解供能，可以维持6～8秒肌肉收缩的时间。100米跑的剧烈运动是10秒以内的快速活动，主要是靠ATP－CP系统供给肌肉能量。从这个意义上来看，多数人认为人类的100米跑成绩也就在10秒左右。

B、乳酸供能系统，指的是持续进行剧烈运动时，肌肉内的肌糖元在缺氧状态下进行酵解，经过一系列化学反应，最终在体内产生乳酸，同时释放能量供肌肉收缩。这一代谢过程，可供1～3分钟左右肌肉收缩的时间，一般是中距离跑运动的供能模式。

此外，在无氧代谢中，三磷酸腺苷、磷酸肌酸和肌糖元在消耗后会在肌肉和血液中产生乳酸，后者是引起疲劳和肌肉机能下降的重要因素，在100和200米这种剧烈运动中尤为明显。100米起跑后5～10秒，肌肉活检表明三磷酸腺苷和磷酸肌酸明显消耗，乳酸有较大量堆积，主要发生在快肌纤维中，有时肌肉中乳酸可增加约30倍。乳酸在体液中离解成乳酸根离子和氢离子，并导致血液中的pH值下降。在肌肉疲劳时，肌肉中pH值大约在6.5～6.6之间，血液中的pH值大约在6.9～7.1之间。因此，供能后的乳酸堆积也是影响短跑速度的重要因素。

而有氧代谢是在氧充足的条件下，肌糖元或脂肪彻底氧化分解，最终生成二氧化碳和水，同时释放大量的能量。

从运动员完成100～10000米各种距离跑的测试数值来看，100米跑时无氧代谢供能占96％，而血乳酸为32％，三磷酸腺苷－磷酸肌酸供能占主要成分。400米和800米跑时无氧代谢供能分别为92％和77％，血乳酸接近32％。5000米和10000米跑有氧代谢占主要地位，血乳酸明显下降。

因此，在无氧代谢供能这一环节上，100米、200米成绩的极限取决于三个要素。一是肌肉中ATP、CP的含量及分解速度，二是肌糖元的无氧酵解速度及血液对乳酸的缓冲能力；三是神经、肌肉对缺氧和乳酸堆积的耐受能力。

人体结构和骨肌肉的承受力

当然，人类100米速度还取决于身体结构以及骨骼和肌肉能耐受多大的压力。这种压力不仅来自外面，而且来自内部。外部的压力诸如举重对身体的压力和跳高需要脱离地心引力的压力。而内部压力也分两个方面，一是承受身体的自重，二是承受肌肉收缩发力对自身骨骼和肌肉造成的压力。

骨头当然是人体最强大的支撑系统，尤如一幢建筑的钢筋混凝土结构。人体有206块骨头，各有不同的保护对象。但所有的骨头都有较强的耐压力。测量表明，每平方厘米骨头能承受2100千克的压力，比花岗石还能抗压，后者是每平方厘米承受1350千克。

不过，与运动关系最大最多的是四肢骨，其中胫骨是人体最坚硬的骨头。胫骨位于小腿的内侧。举重运动员对胫骨的依赖最重，他们手举几百千克杠铃而不会被压垮就是与坚固的胫骨分不开。胫骨能承受的重量，可以超过人体平均重量的20多倍。

肌肉是附着在骨骼上的组织，它们也决定着人类运动的极限。运动员向前跑的动力大部分是由股四头肌收缩提供的，股四头肌又与膝盖连接。跑步时，肌肉、关节和骨头都需要承受这种由肌肉收缩发出的强大压力。生物力学创始人之一吉迪·B·阿瑞认为，若100米速度超过9.6秒，肌肉收缩所产生的力量足以造成四头肌腱和膝盖连接点撕裂。也就是说，人类的100米速度不可能超过9秒6，阿瑞从1976年推算出这个极限以来，还没有人打破过。

人体结构中仅骨头和关节的缓冲力也制约着人类运动的速度。例如，人体有缓减压力的三根“弹簧”。第一根“弹簧”在脊柱上，是脊椎骨之间的“海绵软垫”——椎间盘。它由内、外两部分组成：外部是坚韧而富有弹性的纤维环，内部是白色而有弹性的胶状物质的髓核。这种结构可以使脊柱承受压力、吸收震荡、减轻冲击。不同部位的椎间盘，厚度是不一样的：胸部中段最薄，腰部最厚，因而腰部活动起来方便得多。女性腰部的椎间盘比男性厚，而且空隙也要大。这种得天独厚的条件让她们能完成高难度的体操或杂技动作。

人体的第二根“弹簧”是腿部的肌肉以及连接肌肉和骨骼的肌腱。其中，最优秀的莫过于小腿的腓肠肌和比目鱼肌，以及与它们相连的跟腱。跟腱全长37厘米，弹性与优质橡胶相仿。据测算，一个人以每秒4.5米的中等速度奔跑时，地面的最大作用力大约是人体重量的2.8倍，而跟腱承受的力量约等于人体重量的7倍。如果以100米10秒的速度奔跑，则地面对跟腱的压力更是大过人体重量的7倍。这也是刘翔以及其他短跑运动员为何跟腱容易受伤的原因，也就有了“阿喀琉斯之踵”神话的千古流传。

最后一根“弹簧”是足弓，它是脚底的拱形结构。足弓有两重作用。一是减轻脚的压力。有了足弓，人的体重大约52％可落在脚后跟上，余下的可落在拇趾跖骨头和小趾跖骨上。有了足弓，脚就富于弹性，劳动和运动时能对震动起缓冲作用。足弓的第二种作用是让人保持平衡。有了足弓，体重就落在脚后跟、拇趾跖骨头和小趾跖骨头组成的“三脚架”上，走路、跑步时不会左右摇摆。而猿类几乎没有足弓，所以走起路来摇摇晃晃，踉踉跄跄。

从以上各个方面来看，不同的专家、学者计算出了人类100米的不同极限。有的认为是9秒4，有的认为是9秒29，还有的精确到9秒6543～9秒6545之间。最为大胆的预测是，人类100米的极限将是9秒1，但都没有突破9秒。

不过，9秒或再进一步8秒是不是人类100米的极限也很难说。因为，在1936年杰西·欧文斯的时代，人们曾预测人类100米的极限是10秒。但时间过去了70年，人类100米就达到了9秒69。未来人类100米和其他运动项目当然还会有突破，但突破的大小则取决于上述方方面面的因素。