第一节 生理学基础

一、人体基础生理学

（一）神经系统对人体的控制

作为人体的主要调节机构，神经系统由脑、脊髓以及由它们发出的很多神经组成。神经系统一般分为两类：中枢神经系统和周围神经系统。中枢神经系统包括脑和脊髓，周围神经系统则包括由两者所发出的神经。神经系统通过感受器接收人体内外的各种信息，经由大脑和脊髓进行整合，再通过周围神经到达各器官系统的效应器，从而实现对机体互动的控制和调节。人类大脑高度发达，大脑皮质中不仅存在着感觉中枢、运动中枢，还具有分析语言的高级中枢，所以人类不仅能适应环境和认识世界，还能主动地改造世界。

神经组织由神经细胞和神经胶质细胞组成。神经细胞又称为神经元，是神经系统的基本结构和功能单位。神经胶质细胞分布在中枢和周围神经系统，其没有传导神经冲动的功能，主要作用为支持神经元、修复和再生、免疫应答等。

高等动物随意运动的发动是由大脑皮质调控的。大脑皮质中参与发动随意运动的区域称为皮质运动区，包括主要运动皮质、辅助运动区和后顶叶皮质等部位。大脑皮质运动区结构的基本功能单位是“运动柱”，细胞呈纵向柱状排列。一个“运动柱”可以控制同一个关节几块肌肉的活动，一块肌肉可以接受几个“运动柱”的控制。

大脑皮质主要运动区包括中央前回和运动前区，通过接受来自关节、肌腱及骨骼肌深部的感觉冲动，感受身体在空间的姿势、位置以及身体各部分在运动中的状态，并根据这些器官的状态发出运动指令来控制和调整全身的运动，所以是控制人体运动最重要的区域。

（二）人体的呼吸作用

组成呼吸系统的主要是呼吸道和肺。喉、咽、鼻、气管和各级支气管呼吸道都属于呼吸道，上呼吸道（喉、咽、鼻）和下呼吸道（气管和各级支气管）是呼吸道的两个类别。气体交换的器官是肺，肺实质和肺间质是组成肺的两个部分。呼吸系统有如下几个主要功能：

1．肺通气

肺和外界空气的气体相互交换就是所谓的肺通气。胸廓与肺在呼吸系统活动的影响下会发生扩张和缩小的现象，从而引起肺通气。肺通气量要根据人体的代谢水平而定，二者要相互适应。单位时间内肺吸入或呼出的气量就是所谓的肺通气量。通常肺通气量的计算单位是分钟，所以每分钟肺通气量一般也被称为“每分通气量”。

2．肺换气与组织换气

呼吸气体交换的两种主要方式是肺换气和组织换气。肺泡与肺泡毛细血管血液之间的气体交换即为肺换气。组织毛细血管血液与组织细胞之间的气体交换即为组织换气。二者的换气原理是相同的。

不同的气体分子连续从分压高处扩散到分压低处，使不同地方的气体分压都大致相等。不同地方的气体分压差是促使气体分子扩散的主要动力。气体交换的动力主要是人体不同部位的二氧化碳分压与氧分压之间的分压差。

（三）人体的血液循环

1．血液的成分及功能

心血管系统是血液存在的主要系统，血液是一种流动液体的结缔组织，它由血浆和血细胞组成。各部分组织液相互沟通、组织液与外环境进行物质交换都是在血液储存地进行的。血液最大的作用就是维持生命。

血量是人体内血液的总量，血量等于血浆量加血细胞量。通常情况下，成年人的血量为体重的7%～8%。蛋白质、水和低分子物质都会存在于血浆中。其中，存在于血浆中的低分子物质含有不同种类的电解质和小分子有机化合物。组织液中电解质的浓度基本上可以用血液中电解质的浓度代表。

血浆蛋白有三大类，即球蛋白、白蛋白与纤维蛋白。血浆蛋白的分子很大，不能从毛细血管管壁透过。不同的血浆蛋白，其生理功能也各有差异。

2．心血管系统的组成

血液在有机体循环系统（由心脏和血管组成）中，以一定的方向周而复始地流动的过程就是所谓的心血管系统，也被称作“血液循环系统”。心血管系统的主要功能是使体内的物质运输得以顺利完成，对人体代谢所需的氧气与能量物质进行运输，同时也对代谢产物进行运输，使机体新陈代谢的正常进行有所保障。血液的所有功能能否实现，取决于血液循环能否正常进行。心脏和血管是组成心血管系统的两个部分。

（四）人体的感觉器官机能

人体的感觉器官是指感受器与附属装置共同构成的器官，包括眼睛、耳朵、鼻子等。感受器则是分布在人体体表或组织内部的一些专门感受刺激的结构或装置。感受器能够将人体内外环境变化的信息转换为相应的传入神经冲动。

1．视觉

眼睛是视觉的外感受器官，由眼球与眼睑、结膜、泪器、眼肌等附属装置构成，其通过感受光的刺激产生相应的神经冲动，通过视神经传入大脑皮层的视觉中枢之后，后产生视觉。眼睛具有折光机能，通过该机能能够使得光在视网膜上形成物像，视网膜进一步将这些物像的光能转化为神经冲动，再传入中枢神经系统和大脑皮质，从而产生视觉。视网膜的感光层还有视锥细胞和视杆细胞两种感光细胞，在光的作用下，这些细胞含有特殊的感光色素，在光的作用下，其内部会发生一系列化学反应，即为光化学反应。

2．听觉

耳是听觉感受器官，同时它还是位觉和平衡感受器官。耳分为外耳、中耳和内耳三部分。内耳是听觉器官和位觉器官的主要部分。内耳中有耳蜗，其具有接收声波的听觉感受器；内耳中的前庭器官中有接收头部位置改变和加减速运动刺激的感受器。在耳中含有对机械刺激很敏感的毛细胞，其顶部有上百条排列整齐的听纤毛，听毛纤维弯曲时，毛细胞会产生神经冲动。

3．本体感觉

在人体的肌肉、击剑和关节囊中分布有各种各样的感受器，称为本体感受器，其主要功能是感受肌肉的牵拉程度、关节的伸展程度等，其受到刺激产生躯体运动觉，称为本体感觉。本体感受器包括肌梭和腱梭。

（五）人体内分泌系统

由在机体其他部位分散存在的内分泌腺与内分泌组织组成的体内信息传递系统就是所谓的内分泌系统。甲状腺、性腺、肾上腺、垂体、松果体、甲状旁腺等都是内分泌腺，这些腺体在人体的一定部位分散开来，相互之间有着独立的结构，而且是可以被肉眼看见的。这些腺体是没有导管的。在一些器官中依附存在的内分泌细胞团与分散存在的分泌细胞都属于内分泌组织。例如，胰腺内的胰岛、胸腺内的网状上皮细胞、睾丸内的间质细胞和卵巢内的卵泡及黄体等。

从内分泌系统分泌出来的物质中，一部分是激素。激素最大的特征就是特异性，也就是说，一种激素只可以在一定的器官、细胞与组织中产生作用。血液循环促进激素在全身的散播。器官、组织与细胞受到激素的作用后，就可以被称为“靶器官”“靶细胞”“靶组织”。具有特异性特征的受体存在于靶细胞内，因此靶细胞要想产生效应，只可以通过结合某一激素而实现。

内分泌系统与神经系统有着共同的功能，即对人体的发育、成长、生理功能及新陈代谢进行合理的调节，以使人体内环境的平衡与稳定得到保障。激素通过内分泌而产生出来，其从很大程度上可以控制机体代谢的过程。激素这一化合物具有很高的生物学活性，即使浓度很小，也会对机体代谢产生一定的影响。激素能够对代谢过程起到控制的作用，所以人体在运动中就可以通过激素的控制作用而将自身的体能全部动员起来。激素的控制作用也有利于人体在运动后身体的恢复，并且有利于人体能量的发挥与机能的发展。

在人体中，不同激素在血液中的含量和浓度都是适量的，如果激素在人体中的含量太多或者太少，就会破坏机体的功能，甚至会危害身体的健康。

二、人体能量代谢及供能系统

（一）人体的能量代谢

人体所有的生命活动都需要吸收能量和释放能量。人体的能量来自食物，食物经过人体的消化和吸收之后，其所含的能量以化学能的形式储存在体内的糖、脂肪以及蛋白质中，这些物质就叫能源物质。

能源物质所分解释放的能量不可以直接被细胞利用，其中的一部分以热能的形式散发出来，以维持体温；而另一部分则转移到细胞中三磷酸腺（ATP）的分子结构中。ATP是储存于人体所有细胞当中的一种高能磷酸化合物，是机体各器官、组织和细胞能利用的直接能源。人体细胞中的ATP含量十分有限，它必须边分解边合成才能够保证生命活动所需能量供应的连续性。

ATP是人所有生理活动的直接能源，但是体内的ATP储量非常有限，在其消耗的同时必须重新进行合成，人体内重新合成ATP所需要的能量来自磷酸肌酸的分解、糖无氧酵解和三大能源物质的有氧氧化。与这三种途径相对应，人体中有磷酸原系统、糖酵解系统和有氧化系统三个基本的能量系统。

根据各种不同的需要，人体可以按照不同的比例分解能源物质，同时以不同的速度释放出能量。人体所消耗的总能量主要由三部分组成，即维持基本生理功能的能量消耗、食物的生热效应、运动的生热效应。

ATP的合成与分解是人体内能量转化和利用的重要环节。ATP分子中的高能磷酸键断裂时所释放出的能量能够转化为各种不同形式的能量，用于合成机体所需要的物质、以电能的形式传递兴奋、转化成肌肉收缩的机械能、以渗透能的形式在物质的吸收或分泌中发挥作用等。

（二）人体的三大供能系统

1．磷酸原系统供能

人体中，通常把ATP、CP这种含有高能磷酸基团的物质称为磷酸原。ATP（三磷酸腺苷）、CP（磷酸肌酸）都通过高能磷酸基团的转移或水解释放能量，ATP、CP分解释放能量和再合成的过程，称为磷酸原或ATP—CP供能系统。

ATP是人体内瞬时能量的供体，而不是能量的储存形式。运动时，肌肉内ATP分解直接供能，这是人体内能量代谢的中心环节。ATP水解的放能反应可以为各种需要能量的生命过程供能，完成各种生理功能，如肌肉收缩、生物电活动、物质合成及体温维持等。具体来说，磷酸原系统供能的特点大致为：供能总量不大，持续时间很短。但是它供能快速，是细胞唯一直接利用的能量来源，其能量输出的功率最高。

2．糖酵解系统供能

糖酵解系统可以为机体运动持续的时间在10秒以上且强度很大时供给能量。这时，以支持运动所需的ATP再合成的能量就主要靠糖原酵解来提供，而不能靠磷酸原系统供给。

肌糖原是糖酵解供能系统中的主要原料，强烈的运动训练中可分解供能并产生乳酸。作为一种强酸，乳酸在体内积聚过多会对内环境的酸碱平衡产生一定的破坏作用，使肌肉工作能力下降，造成肌肉暂时性疲劳。这样一来，依靠糖原无氧酵解供能也只能使肌肉工作持续几十秒钟。无氧酵解供能时，不需要氧，但产生乳酸，因此，被称为乳酸能系统。在缺氧情况下仍能产生能量，以供体内急需，是其重要的生理意义。

运动中，当氧供应不足时，人体骨骼肌糖原或葡萄糖酵解，生成乳酸并释放出能量合成ATP，从而使运动中消耗的ATP得到有效的补充，维持运动的继续进行。在无氧情况下，1摩尔或180克糖原理论上可产生2摩尔或180克乳酸及3摩尔ATP。这种糖经过一系列代谢反应生成乳酸，并释放能量的过程，就是所谓的糖酵解途径或糖酵解供能系统，此过程是在细胞质中进行的一连串复杂的酶促反应。

在极量强度运动中，随着ATP、CP的迅速消耗，糖酵解供能过程在数秒内即可被激活，当运动持续30秒钟左右时其供能达到最大速率，可维持1～2分钟，随后供能速率下降，主要表现为运动强度下降。

3．有氧氧化系统供能

当机体氧的供应充足时，运动所需的ATP便主要由糖、脂肪的有氧氧化来供能。有氧氧化能提供大量的能量，从而使肌肉较长的工作时间得到有效的维持，这种有氧氧化供能系统就是有氧氧化系统。有氧氧化系统主要是由糖、脂肪和蛋白质三种能源物质的有氧氧化组成。

（1）糖的有氧代谢：运动期间，当氧供应充足时，肌糖原或葡萄糖可被彻底氧化分解成二氧化碳（C02）和水（H20），并释放大量能量的过程，这称为糖有氧代谢。

（2）蛋白质的有氧代谢：在长时间大强度运动中，人体内存在蛋白质降解和氨基酸参与供能的情况。但即使当食物中供糖不足或糖被大量消耗后，蛋白质供能也很少。蛋白质供能代谢不是人体运动所需能量的主要来源。

（3）脂肪的有氧代谢：作为细胞燃料，人体内储存的脂肪参与供能只能通过有氧代谢这一途径，有氧运动可有效达到燃烧脂肪的目的。

就能量供应与人体运动之间的关系来说，有氧氧化系统是人进行长时间耐力活动的主要耐力系统。有氧代谢能力和人体心肺功能有着密切的关系，是个体耐力素质的重要基础之一。

（三）运动中三大供能系统活动的关系

在运动过程中，不同供能代谢途径提供能量的能力和速率各不相同，一般来讲，运动中各供能代谢系统的活动及其相互关系与运动负荷的强度和持续时间密切相关。

相应的研究表明，在0～180秒最大运动时，各供能代谢系统的基本活动表现如下：在1～3秒的全力运动中，由ATP提供能量；在完成10秒以内的全力运动时，磷酸原系统起主要供能作用；30～90秒最大运动时，以糖酵解供能为主；2～3分钟运动中，糖有氧氧化提供能量的比例增大；而超过3分钟以上的运动，则基本上是有氧氧化供能。

总之，每个供能系统都有其独特的特点和供能能力，供能系统不同，所需要的能源物质也不同，运动中的输出功率和供能时间也会有明显的差异。

三、运动负荷的生理学本质

（一）运动负荷的本质

体育运动中的运动负荷是指运动者参与体育运动时所承受的生理负荷，也就是其生理方对于体育运动的刺激承受。由于受运动负荷刺激的影响，在运动中涉及的各个器官系统的机能状态都会受到不同程度的影响。

人的身体机能在体育运动过程中的变化主要经历以下五个阶段：

1．耐受阶段

在体育运动过程中，运动者的身体机能对运动负荷刺激具有一定的耐受能力，这种耐受能力的强弱及保持时间的长短会受到多种因素的影响。在这些影响当中，具有决定性作用的是运动负荷强度与运动个体的运动水平两方面的因素。人体在运动的耐受阶段能够表现出比较稳定的工作能力，可以很好地完成相应的体育运动。由于该阶段的主要特点与表现，因此在耐受阶段应当安排体育运动计划中的主要任务，从而使运动任务实现顺利完成。不同的个体对运动负荷的耐受程度存在很大的差别，很多因素都会对其产生影响，其中较为主要的因素包括运动负荷的量和强度、运动后机体机能的恢复程度等。

2．疲劳阶段

当运动者的机体在承受了一定程度的运动负荷刺激之后，其机能以及工作效率都会出现降低的状况，这就是疲劳现象。在参与体育运动过程中，运动者的机体对于疲劳程度以及耐受负荷的时间完全取决于运动过程中目的与任务的确立与安排。在参与体育运动过程中，运动者的运动能力只有达到一定程度的疲劳之后才能实现提高，才能够在恢复期获得预期的超量恢复效果。

3．恢复阶段

每次运动结束之后，运动者机体开始补充与恢复运动过程中所消耗的各类能源物质，同时对运动过程中受到的损伤进行修复，对紊乱的内环境进行恢复，使机体各器官系统的机能能够恢复至运动前的相应水平，从而完成机体结构与机能的重建。在恢复的过程当中，影响恢复所需要时间的最重要因素就是机体的疲劳程度。因此，机体的疲劳程度越深，运动疲劳的恢复时间就越长；反之，消除疲劳的恢复时间就越短。

4．超量恢复阶段

超量恢复指的是机体在体育运动过程中所消耗的能源物质以及下降的身体机能，在运动结束后的恢复过程中，运动者不仅可以恢复到运动之前的水平，同时会在这一水平的基础上有所增加。在机体可承受的范围内，运动负荷量与负荷强度越大，那么在体育运动过程中造成疲劳的程度也就越深，超量恢复在运动后的恢复过程中就会更加明显。

5．消退阶段

运动者参与体育运动之后所造成的机体机能的提高与效果并非是长时间固定不变的，更不会一直保持下去。如果不及时在已获得的超量恢复的基础上延续新的刺激，那么已经产生的运动效果在经过一定时间的保持之后又会逐渐消退，机体的机能也将会又下降至原有的机体水平，甚至更加衰退，这就是人体对运动负荷刺激适应的消退。在体育运动中，这是所有运动者都会面临的问题，也是影响每个个体运动水平高低的重要原因之一。因此要长久使运用效果持续下去，运动者就必须在上一次运动中超量恢复的基础上寻找合适的时间安排下一次体育运动，只有这样才能较好地保持住原有的运动水平，并在此基础上逐渐通过超量恢复原理来提升自身的运动水平与身体健康水平。

（二）运动负荷适应及运动负荷阈

1．运动负荷适应

机体的主要特征表现为应激性与适应性。人体在对刺激发生反应能力的基础上具备了更重要的适应能力，因此人体在对运动负荷刺激的适应上同样具备这种特征。长期、系统地参与体育运动能够对人体各器官系统在形态、结构、生理机能等方面产生积极的适应性变化，这同时也表明了负荷适应性在体育运动中的重要性。

2．运动负荷阈

机体的运动负荷阈指的是运动者在体育运动过程中适宜生理负荷的低限至高限的范围。例如，运动者在参与体育运动的过程中，运动的强度、持续的时间以及练习的密度和数量是构成运动负荷阈的四个基本因素。这些因素之间既相互联系又相互影响，在其他因素基本不变的情况下，某一因素的变动将会影响这一次体育运动对机体的生理负荷量。

在参与体育运动过程中，运动者的机体承受的生理负荷是运动对机体的有效刺激，是引起各器官系统功能产生适应性变化的重要因素，但是刺激引起机体出现反应与适应的程度是由刺激强度的大小决定的。当运动负荷不足时，其对机体的刺激强度就会很小，因此将很难引起机体的适应性变化，那么此次运动对促进身体健康发展的意义会很小，甚至没有起到任何作用；而当机体的运动负荷大到超过了人体所能承受的范围，或者机体疲劳没有得到充分的恢复时，也将会影响身体适应能力的提高，从而导致对运动者的身心健康、身体素质以及运动能力都产生消极的影响，严重时还有可能出现过度训练或过度疲劳等病理性改变的情况，这种情况就是出现了不良适应。出现这种情况的原因是机体对不适宜的刺激也能够发生适应性改变，但其适应的结果往往与所预期的不同。因此，只有在机体允许范围内的适当刺激才能够加快机体适应过程，同时让机体的形态、结构与生理机能产生对于体育运动所预期的良性适应。

四、人体的内环境与自我调节

（一）人体的内环境

1．内环境

人体在皮肤的阻隔作用下，不直接与体外环境接触，一旦受伤，如因外力（如刀割等情况）导致皮肤开裂，使身体组织暴露于外界环境中，严重的会使身体脏器暴露于外部环境中。这种情况下，极易发生感染等多种症状。

人体细胞含有大量体液，主要成分为水，约占成人体重的60%。在这60%的比例中，40%存在于细胞内，称“细胞内液”；约20%分布于细胞外，包括血浆、组织液等，称“细胞外液”。细胞膜将细胞内液和细胞外液隔开。

细胞外液的存在为细胞的生存提供了良好的环境，因此可以称其为细胞生活的液体环境，即机体内环境。而整个人体的生存环境则是外环境。

人体中的细胞主要是依托内环境的媒介与外环境进行物质交换的。

2．稳态

细胞外液的化学成分和理化特性保持相对稳定的状态，即为稳态。细胞外液的化学成分和理化特性会随着细胞代谢水平的高低和外环境的影响而处于不断的变化之中。

通常情况下，为了保证机体内各器官、各系统的正常工作，机体就会在神经、体液调节下，以及在各器官、系统协同作用下使其变动幅度很小。

稳态是细胞进行正常生命活动不可或缺的条件。一旦稳态遭到破坏，机体的某些功能就会出现紊乱，甚至引起疾病。

（二）人体的自我调节

人体之所以能产生与环境变化相应的反应，是由于人体存在一系列调节机制。主要的调节机制有以下三种：

1．神经调节

神经调节，是指通过神经系统实现的调节机制。其特点为反应较为迅速、准确、短暂，并具有高度协调和整合功能，是人体功能调节中最主要的调节方式。神经调节主要依赖于机体对各种刺激的反射。

反射，具体是指人体通过神经系统对外界和内部的各种刺激做出应答性反应。例如，巨大的声响会使人瞬间做出躲避的动作；手被利器刺到会下意识地立刻缩回等。产生反射的神经结构称为反射弧，反射弧包括五个组成部分：感受器、传入神经纤维、神经中枢、传出神经纤维、效应器。

2．体液调节

体液调节具有速度慢、调节范围广、调节效果持久的特点，体液调节主要有以下两种。

（1）局部体液调节：机体某些组织细胞产生的化学物质或代谢产物（激素除外）在局部组织液内扩散，可以改变附近组织细胞的功能。

（2）神经体液调节：在中枢神经系统的控制下，直接或间接调节体内的多数内分泌腺。这时的体液调节是神经调节传出途径中的一个环节。

3．自身调节

自身调节作用范围局限、幅度小、灵敏性较差，一般情况下，当机体内外环境发生变化时，组织细胞产生的适应性反应。这种反应不依赖于神经或体液调节。例如，心肌收缩力量在一定范围内与收缩前心肌纤维的长度成正比，即心肌纤维越长，收缩时产生的力量越大。

五、不同年龄人群的生理特征

（一）少年儿童的生理特点

少年儿童各器官系统与成年人相比有很大的差别。其骨骼的有机物质含量较多，软骨成分较多，具有较好的弹性，坚固性较差。其肌肉中水分多，脂肪、蛋白质、无机盐少，肌肉细嫩，收缩功能较弱，耐力差，容易产生疲劳。

少年儿童的胸廓较为狭小，弹性阻力过大，呼吸肌力量差，呼吸循环系统的机能不够完善，呼吸频率快，呼吸表浅，肺活量小。

青少年的心脏体积较小，心脏收缩力量较差，心率较快。少年儿童的血管壁有很好的弹性，血管口径比成人大，外周阻力小，所以少年儿童的血压值偏低。

（二）中青年人的生理特点

青年人是身体发育的成熟稳定期，人各器官组织的生长发育都已基本完成，各方面的身体素质也处于较高的水平。中年人的有些生理功能处于高峰期，但有些生理功能已经开始下降，老化征象开始显露。35岁时，最大吸氧量、肺活量、基础代谢率等八大生理功能及肌力等指标开始下降，表明人体趋于衰老过程。

（三）老年人的生理特征

老年人的感受器退化、中枢信息处理改变、平衡能力下降，运动中枢性工作能力减退，视力、听力记忆力，对刺激的反应能力等都会下降，容易出现疲劳。肌纤维的体积和数量减少，关节灵活性降低，很多人会出现骨质疏松，

运动灵活性，协调性和动作速度降低。心血管和机能和呼吸系统机能也会逐渐下降。老人的适应能力低，免疫功能减退。老年人对感染的防御能力减退，随着免疫功能的减退，老年人的抵抗力明显低下，疾病增多。

（四）女性的生理特点

女性全身肌肉的重量不超过全身重量的35%，而男性能达到40%～45%。女性肌肉力量同男性相比，上肢力量大约只有同龄男性上肢力量的2/3。相反，腿部的力量却较大。女性的脂肪组织占全身重量的28%，男性只占19%。

在安静状态时，女性的呼吸次数比男性多，但呼吸的深度却较浅。女性的心脏容量和肺呼吸量都比男性小，肺活量平均为2000～2500毫升，而男性的肺活量要在3000～3500毫升。在心血管系统和呼吸系统的活动方面，女性也有其独特的生理特点。

一般来说，女性心脏的体积重量比男性小10%～15%。因此，每次收缩时输出的血量比男性少，但是心脏收缩的频率较快。女性突出的生理特点之一就是月经的变化。在月经期间血液的成分往往有所改变，肺活量减低，肌肉力量下降。有些人由于月经期子宫及盆腔充血以性腺分泌，出现腰酸、腹胀及腹部下坠等轻度不适，或出现全身无力、精神不好、心情烦躁等，这些都属于正常的生理反应，并不是病。