近年来体育科学研究前沿问题回顾与展望

陈凯华 马江骏 盛治进

（1 安徽医科大学体育教学部，安徽 合肥 230032）

（2 新疆师范大学，新疆 乌鲁木齐 830054）

1 前言

体育科学是用科学的方法来探求体育的本质和规律，是研究社会各种体育现象、最大限度发挥人体运动能力相通过身体练习进行教育并提高健康水平等规律的综合性科学。20世纪初首先在德国、日本开始了体育科学研究。第二次世界大战后，体育科学研究真正在世界范围开展起来。

中国有组织地开展体育科学研究工作，是中华人民共和国成立后才开始的。经过几十年的发展，我国体育科学研究水平有了长足的进步，成为促进体育事业发展的重要力量。田野等[1]在《中国体育发展现状与展望》中对我国体育科学的发展现状进行了评述，认为中国体育科学表现出科学研究取得高水平成果、研究手段多样化、初步形成了中国特色的体育科学研究体系、开始步入国际体育科学舞台等4个方面的特点。同时田野等也在文中指出中国体育科学研究存在着创新性研究成果（假说）不多、研究方法中存在的缺陷、体育科学研究发展不平衡、在国际体育科学研究领域地位不高等问题。

与中国体育发展现状与展望相对应的就是世界体育科学领域当前研究的热点问题和今后的主要研究方向。笔者通过对世界体育科学领域最具影响力（影响因子最高）、覆盖面最广的几本期刊三年内的研究进行分析，初步梳理了当今世界体育科学领域的高端创新研究成果，并结合我国当前研究现状分析了我国体育科学领域研究的重点问题和意义。

2 当前世界高端创新研究

在对Kenneth[2]对过去10年里对发表的与训练有关的文章进行了研究，他以“exercise”为关键词在当前世界著名的文摘数据库PubMed内进行检索，能够检索到大约82，826篇peer-reviewed[3]文章。将这些文章做一些基本的分类如表1所示，虽然与训练相关的研究依然占有者决定性的优势，但是医学领域针对遗传、基因等方面进行的基础性研究成果在训练领域的应用有着不容忽视的作用，因为这些成果主要集中于对人类基因的改造，所以它们的应用会使运动员的能力从根本上得到改造，是任何先进的训练理论和训练方法无法比拟的。

表1 10年内发表的与训练有关的文章分类统计

2.1 基因和训练

众所周知，2003年人类基因图谱完成，这一里程碑似的成果帮助人们打开了一扇研究基因对训练刺激的反应和适应的大门。有研究证明具有多态现象的基因超过200个，心血管的反应、肌肉力量和能力适应与那些确定的基因型有关[4]。基因功能的研究将进一步提高人类对训练适应中潜在的生物学机制的认识和了解[5]。这项成果至少可以在训练的两个方面得到应用，首先是在选材上的应用，这种方法相对比较简单，在选材过程中对青少年就相关基因进行检测，含有所需能力的基因的青少年进入运动队开始系统训练，这必能大大提高选材的效率。其次是基因调节，目前主要有四种手段：基因重组、RNA干扰、基因表现功能调节和miRNA基因调控。

（1）基因重组是选择一个无效基因，将其去除并用一种能够提高灵敏性或耐力的基因进行替代，进而增强运动员的灵敏性或耐力能力。这一设想近两年已经在老鼠实验中获得成功[6]。

（2）RNA 干扰(RNA interference，RNAi)是由双链 RNA（double-stranded RNA,dsRNA）介导的细胞内双链mRNA特异性降解现象，属于转录后的基因沉默机制。也就是借助某种手段向细胞内注入一种双链RNA，它会使细胞内决定人体不良品质的mRNA的显示度降低，让其他有利于人体的耐力素质或爆发力显现出来[7]。目前RNAi是生物界普遍存在的抵抗病毒入侵、调控基因表达的监控机制，已成功用于基因功能和信号转导的研究[8]。这种方法是目前对基因进行改造所采用的相对简单的方法，可以想象将来在运动训练领域必会有广阔的发展前景。

（3）基因表现功能调节是表现遗传学的主要研究内容，基于的基本理论：在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传[9]。目前已经有多种方法可以实现对基因的修正，例如 DNA甲基化[10]（DNA methylation）、 乙酰化（acetylation）[11]，磷酸化（phosphorylation）[12]，基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。这种技术对训练的应用已经进入到小白鼠测试阶段[13]。

（4）miRNA 基因调控[14]，MicroRNAs （miRNAs）是一种大小约21—23个碱基的单链小分子RNA，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。它在细胞内可以诱发相关蛋白质翻译抑制[15]，进而抑制蛋白质的合成，表现在运动功能上就是降低运动员在高负荷训练情况下的发病率。

这些基因层面的基础性研究成果在训练领域的应用，开启了人类自我能力选择的新空间，为人类提升自身的某种能力提供了方法。可以大胆猜测这些手段在国际科技发达国家已经应用到运动员身上，有学者将其定义为基因兴奋剂。基因兴奋剂的检测非常困难，因为这些改造基因的手段都是基于人体蛋白质。胡扬[16]对当前训练领域存在的几种能够提高运动员成绩的基因进行了概述。

2.2 骨骼肌是一个内分泌系统

将骨骼肌作为一个内分泌系统的提法是最近几年才出现的，学者发现在骨骼肌内存在一些物质（被定义为[17]myokine），对身体运动能够产生明显地应激反应，向血液中释放出一些调节其他组织活动功能的物质。目前已经被证实有这种功能的物质有三种：Inerleukin （IL）-6，IL-8，IL-15。例如在抗阻训练中骨骼肌会释放出IL-15调节骨骼肌内的合成代谢过程[18]。这些成果对今后人们对骨骼肌调节内分泌系统的功能的认识产生重大影响。

2.3 结缔组织和骨骼动力学

近几年关于肌腱和骨骼肌的结缔组织研究出现前所未有的繁荣现象，Mackey等人[19]在这方面所做的努力和研究成果不容忽视。有研究已经证明结缔组织内的合成代谢、血液流动和胶原质的转换都非常迅速[20]，结缔组织基部对训练刺激的反应与肌纤维复合的速度相同，调节因素的上调与训练非常有关系。采用透析、同位素、超声波和原子力等手段已经能够检测到结缔组织对不同运动行为的适应过程。关于骨骼的运动行为和代谢反应研究发现，不同骨骼对训练刺激的反应不同，相同骨骼的不同区域也有所不同[21]。

2.4 肌肉的祖细胞

骨骼肌的肌纤维非常独特，因为他们是多核细胞，而且在肌细胞膜和基底膜之间有一层祖细胞。祖细胞具有自我更新的能力，在负荷刺激下会促使肌纤维增大，是肌细胞核增殖的先决条件。Petrella等人[22]的研究发现最大力量训练刺激下每个肌细胞的细胞核增加的数量最多，中等力量次之。这充分证明了肌细胞核的激增和分化是引起肌纤维增大的先决条件。另外运动损伤康复的过程也依赖于祖细胞的增殖[23]。

3 未来体育科学研究的关键问题

Kenneth2在2010年发表的一篇文献综述中指出今后世界体育科学领域研究的关键问题。

（1）训练模拟：Narker等[24]发表的一篇有争议的文章激起了广大药品代理商的强烈的兴趣，就通过某种方法提高跑步的能力和/或肌肉生长。关键的问题在于运动训练的刺激是否是提高身体健康和代谢水平的必须条件。参考Booth和Laye[25]有关这篇备受争议话题的评论，以及Hawley和Holloszy[26]的文章，后者认为训练模拟更加有前景。

（2）多肽核苷：目前开展了很多关于单核苷酸多态性和不变色基因组探针的研究，以解开对健康，竞技水平和可训练性有作用的基因密码。Jackson实验室和Affymetix的合作所产生的人类和老鼠的基因组序列使得该突破性探索成为可能。

（3）活性氧基团：焦点在于理解这些基团的潜在生物特性，包括其对不同负荷状态下影响肌肉质量的调节机制，和作为细胞器，器官以及生物适应的信使分子。

（4）基因组学：以基因组学为基础的肌肉功能的研究已经扩展到能在运动员竞技水平，一般健康和运动对不同疾病的影响上进行探索的可能。

（5）肌肉内 外 关 系 ：myokines， cytokines 和adipokines的作用被认为对器官系统和机体内分泌系统有影响，新的思路应该在于肌肉协同机制的研究。

（6）在对运动员，久坐不运动者和肥胖者的急性和慢性运动中，底物燃料的处理过程。

（7）当有氧和合成代谢的训练同时施加在动作和人提上，需要进一步通过实验来明确细胞发信号的规则机制。

（8）肌纤维，结缔组织，骨骼和祖细胞的整合：这每一个系统都是动态的，在对各种机械刺激进行反应的过程中理解其交互作用具有挑战性。

（9）机械传感器和控制肌肉体积大小的信息传导规则：该领域有大量的未知区域。

（10）探索能预测运动和改变健康状况的生物学指标：广为接受的一个观点是人体对不同类型的训练刺激产生如何反应具有很大的变异性，那么是否可能预测出反应物以及对应的非反应物？

（11）极端环境：有许多挑战是针对人体机能的潜力的，个体如何在极端的环境中如热、冷、低氧、营养不良等表现出能力。

（12）运动肌肉和大脑重塑的关系：这是提高老年人生活质量的关键。

（13）运动与疾病预防：在随后的十年以及更长远的时间内，这有可能成为影响健康产业最大难题。

（14）衰老的机制和运动所引起的长寿：运动研究努力的真正底线。

4 研究重点及意义

在对当前世界高端创新研究进行综述和相关领域著名学者提出的体育科学领域的热点问题进行总结的基础上，笔者结合目前国内研究技术和水平，提出了中国体育科学领域当前的研究重点，及其对我国竞技体育发展的重要意义。

4.1 基因修正

从2.1节关于当前基因研究与训练的关系论述中可以看出，基因改造会使人类的各项能力得到大幅度提升。限于研究条件或研究水平，近期我国体育科学领域可能还无法开展基因改造的研究，但我们可以从下面两个方面做出一点努力。

首先，关键基因识别的研究。设计相关检测方法和检测仪器，对与某种运动能力密切相关的基因进行检测。将其应用到选材中可以大大提升我国运动员的成材率。

其次，密切关注国外研究进展和研究成果，做到尽早为我所用。

4.2 减阻

阻力在水上、游泳、自行车等项目中起着不容忽视的作用，正是由于鲨鱼皮泳衣减阻效果非常好，才能使游泳运动员的成绩有了较大提高。在备战29届北京奥运会周期，清华大学精仪系摩擦学国家重点实验室陈大融教授进行了船艇减阻的研究，利用鱼鳞和荷叶表面形貌结果，设计出一种新的减阻涂层。

该实验室在前人研究的基础上提出了新的“界面减阻理论”，即通过表面与界面效应，大幅度降低流固界面剪切应力的理论，形成了新的界面减阻技术，其中“微突体”减阻技术实施工艺简单，适用于水面船艇。通过对鱼鳞和荷叶表面仿生学的研究，发现鱼鳞减阻机理在于鱼鳞粘液、暴露于水中的顶区结构，以及鱼鳞表面的纳米级结构与微米级孔洞。荷叶表面由双重结构组成，其中纳米级结构提供了微汽泡存在的条件，同时在表面覆盖了生物腊，并由此构成了超疏水特性的前进接触角与后退接触角，其结构类似于超疏水的Cassie结构。将荷叶的超疏水结构与鱼鳞的微凸体结构相结合，由微凸体导致的微漩涡提供动力学条件，则微气泡就有可能在低压与漩涡力的作用下膨胀，并直接参与剪切过程，从而获得减阻效果。根据该理论设计出相关涂层，喷涂到赛艇上，经水洞和拖拽水池测试发现在5m/s的低航速条件下，获得了约4%的综合减阻率（摩擦阻力减阻率14%），折合航速提高约为2%。

新的备战周期，我们可以进一步加强该方向的研究，例如对自行车运动员服装的减阻、自行车的减阻。

4.3 运动仿真

正如田野等人提到的体育系统仿真是通过计算机模拟技术再现教练员的训练意图、运动员的技术动作、管理者的组织方案等，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价和控制的一种崭新的实验技术学科。由于体育系统仿真和现代科学技术息息相关，现代计算机技术、现代图形学和自动控制等学科是体育系统仿真的支撑学科，这些学科大都处在现代高科技的前沿，特别是它与众多现代科学综合交叉的特性和广泛的应用前景决定了它具有良好的发展势头。体育仿真技术与体操、跳水、蹦床等高难技术的创新、大型赛事开、闭幕式的演练等密切相关。

更进一步地，可以应用计算机仿真技术对肌肉和骨骼的作用关系，在运动康复和机器人领域有关肌肉和骨骼的运动仿真成果有很多，但这些仿真都是基于常人或病人的运动或康复过程，基于运动员特定动作下，肌肉和骨骼的作用关系研究还非常少。可以预见该研究成果对于预防运动损伤、设计训练（加强重点部位的训练）有重要意义。

4.4 训练适应理论

训练与适应之间的关系一直是体育科学领域研究的热点和难点，无论教练员、运动员还是研究人员都希望能够准确掌握训练和适应的关系。无疑采用数学模型的方法对训练和适应的关系进行描述，不仅能够量化二者的关系，更主要的是它能通过调整训练负荷使受训者在将来的某一天准确的出现最佳成绩点。目前训练和适应关系模型主要有三种：

1）加拿大学者Banister[27]和Calvert在超量恢复模型的基础上，首次用数学的方法提出了一个新的“疲劳-适应”模型。模型由三个部分组成，一个简单的刺激产生提高成绩的两个适应和降低成绩的疲劳。公式的一般表述形式如下：

模型成绩=（训练模型的适应）-K（训练模型）K是常数，调节适应和疲劳之间的关系。

2）Calvert[28]在Banister的基础上提出了另外一种公式：

*表示转换，t表示训练刺激，τ1和 τ2表示与两种适应有关的时间常数，τ3是与疲劳有关的时间常数。

3）Fitz-Clarke等[29]将 Calvert的公式进一步改良：

这些模型试图描述在给定的某一天训练的单个或多个因素对一个准确的训练任务形成的适应的影响。这些模型假设训练单元增加了适应并刺激了一个疲劳反应。另有一些研究针对的是量化训练刺激（训练刺激、绝对功、神经生理兴奋比率）的方法和身体性能（标准等级、任意单元）对模型的影响。

目前研究这些模型所使用的基本都是普通人，关于竞技运动员的非常少，只有一个研究使用的是游泳运动员。

4.5 虚拟技术在训练中的应用

虚拟现实是利用计算机模拟产生的三维空间的虚拟世界，向使用者提供视觉、听觉、触觉等各感官的逼真模拟，令使用者仿佛置身于与现实完全不同的时间和空间中，并与这个模拟的现实发生交互作用。当使用者的位置发生变化时，计算机还可立即进行复杂的运算并传回精确的影像，令使用者产生身临其境的感觉。

这种技术可以模拟运动员不同级别比赛场景，训练运动员比赛应对能力，还可以有针对性地设计比赛中可能出现的某些情景，训练运动员对突发事件的处理能力。

4.6 机械传感技术

机械传感技术一直是进行体育科学研究不可或缺的工具，许多研究成果的重大发现都得益于传感技术的进步，如上个世纪七十年代的表面肌电仪（EMG）、九十年代的脑电仪（EEG），都为认识人体运动规律发挥了重大作用。目前还没有传感器能够检测运动过程中肌细胞内部发生的变化，这在当今世界还是一个空白领域。

4.7 骨骼肌组织工程学

骨骼肌组织工程学是组织工程学的一个领域，其基本方法与普通组织工程一样，即将体外培养扩增的种子细胞种植在合适的支架材料上，再加以适当的细胞因子植入生物体内，从而构建出新生的组织工程骨骼肌。国外已经有研究[30]利用该方法分析运动对骨骼肌生理机制和功能的影响，更进一步可以了解骨骼肌对训练刺激产生适应的分子生物学机制。

5 结语

从前文对当前世界高端创新研究的总结可以看出，工作在体育科学及其相关领域的学者以其敏锐的观察力和勤勉的工作风格为本领域的创新研究做出了杰出的贡献，这些成果使人类的自我认识和发展登上了一个新的台阶。当然从本文的研究总结可以看出，中国体育科学领域的研究水平还是相对较低，特别在基因领域的研究更是远远落后于其他国家。不过，相信经过我们坚持不懈的努力，一定会缩短两者的差距，并在个别关键点取得丰硕的成果。

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