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人静止提着物体不做功,那为什么会感到累?

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瞻云,科普人
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人虽然没有对外做功,但你的肌肉一直都在做功。

肌肉如何做功?

先来看看肌肉的结构:

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肌细胞中存在很多肌原纤维,约 1μm 粗细,是骨骼肌的收缩单位。

肌原纤维又分成两个结构:

  • 粗肌丝——肌球蛋白组成
  • 细肌丝——肌动蛋白组成

两种肌丝交叉排列,纵向视角分成「明、H、M、暗」各带。

Z 线之内的整个结构被称为肌节:

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不难发现,大量肌节串联成肌原纤维,然后肌原纤维又并联成整个肌肉组织。

注意,这是平面图,从剖面图可以看出,1 跟粗肌丝周围分布着 6 根细丝,又或者说是每 3 根粗肌丝就包裹着一根细肌丝:

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通过粗肌丝 + 细肌丝的组成,整根肌原纤维形成了一种特殊的弹性收缩结构:

虽然肌原纤维各个结构都具有弹性,但整根纤维的收缩和舒张主要通过,细肌丝在粗肌丝间滑行而完成。

细肌丝往中间的 M 线滑行,完成收缩动作。

往外部滑行,则完成舒张动作。

肌肉的收缩过程,本质上就是一个生化反应过程:

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当神经信号传达到肌细胞,肌细胞的肌质网会释放钙离子到肌节中。

在钙离子的作用下,细肌丝上的肌动蛋白结合位点便会暴露出来。这时,粗肌丝上的肌球蛋白就会通过横桥(肌球蛋白上突出的头部)与肌动蛋白结合。

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随后肌球蛋白就会利用 ATP 的能量,发生形变,然后拉动细肌丝滑行。

粗肌丝拉着细肌丝滑行一段距离后,随着 ATP 提供的能量耗尽,肌球蛋白和肌动蛋白会再次分开,然后再继续结合,利用 ATP 中的能量,发生下一次形变。

在不断结合→形变→分开的循环过程中,肌丝之间完成滑动,整个肌肉系统完成舒张或收缩。

所以,活化横桥的数目,决定了整个肌肉力量的大小。

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整个肌节的收缩周期

我们知道,当我们提着重物时,宏观上来说,重物的重力和我们肌肉力量是相等的。

但是在的微观上,这个力量却是处在一个动态平衡的状态:

每当粗肌丝消耗 ATP,拉着细肌丝往上发生细微的形变后,在横桥断开的瞬间,外部张力又会把细肌丝拉回原处。如果此时不再提供张力,肌丝就会继续拉长。

所谓要保持原位,横桥又得再次活化,消耗 ATP 拉着细肌丝发生细微形变。

随后又回到原位,如此循环往复。

利用高速透视摄像机,可以拍到肌肉微弱的高频震动。

为什么我们感受不到这个形变过程中呢?因为肌球蛋白小至 160nm,哪怕整个肌节的长度都只有 2~3μm,远远小于我们感知的变化东西。

除此之外,由于肌原纤维是并联关系,当某一根肌原纤维上的横桥去活化时,还有其它的肌原纤维处于活化状态,这也可以弱化震动幅度,使得宏观上看起来位置不变。

例如,在水柱顶球的小实验中,小球相对静止在空中,便是通过水不断产生的冲量维持的。水牺牲掉的动能,其实是用在了小球细微的势能变化上。

肌肉提物耗能,原理其实是相似的。微观上的势能反复变化,最终会完全转化成热能。

总之,为了持续提供提起重物的张力,横桥在反复结合断开的过程中,会不断地消耗 ATP。

肌肉中储存的 ATP 是有限的,很快就会消费干净。不过肌肉中还储存着另外一种高能高能磷酸化合物—— 磷酸肌酸,它提供的能量比 ATP 还稍多一些。

我们知道,ATP 供能之后会脱掉一个磷酸基变成 ADP。

而磷酸肌酸可以向 ADP 提供磷酸基,从而再次形成 ATP,以继续给肌肉供能。

肌肉中磷酸肌酸含量比较丰富,是 ATP 的 3~4 倍,所以可以让肌肉张力维持足够长的时间。

但随着磷酸肌酸殆尽,ATP 供应不足,活化的横桥越来越少,就会逐渐脱力,肌肉会发生不自主的颤抖。当活化横桥数目完全不足支撑时,自然就会彻底脱力,重物掉落在地。

肌肉里的磷酸肌酸和 ATP 都耗尽后,你自然会感到十分劳累。

当处于休息状态,肌肉中磷酸肌酸和 ATP,会通过葡萄糖以及其它营养物质的转化然后恢复。磷酸肌酸的储备,同样由 ATP 来合成。实质上,二者在肌肉中处于一个动态转化的状态。

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不难发现,当我们拎着重物赶路时,期间稍微休息和完全不休息,虽然总消耗差异不大,但整个行程的劳累感的差异会十分巨大。

当然,当拎重物的总时间过长时,也会大量消耗人体的总能量储备,从而让整个人体处于重度疲劳状态。

肌肉一用力就释放大量热量,其实反应出来的是动物肌肉系统的低效。

人体运动效率一般在 10%~30%,也就是说运动时肌肉消耗 100 大卡的热量,仅仅只有 30 大卡转化成了动能,多达 70 大卡的能量最终都转化成了热量。

当人处在静息受力的状态时,动能为零,则 100%转化成了热量。

总之,并不是拎着重物需要人体释放热量,而是维持肌肉张力的状态,不得不浪费能量,然后这些能量最终会以热量的形式释放出去。

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