每個人都知道運動有益健康，其實運動的益處遠超出我們的想像。
運動改造人體
每個人都知道運動有益健康，其實運動的益處遠超出我們的想像。
撰文 莎莉•S•巴蘇克(Shari S. Bassuk)蒂莫西•S•丘奇(Timothy S. Church)喬安•E•曼森(JoAnn E. Manson)翻譯 趙瑾
本文來自「科學美國人」中文版《環球科學》雜誌2013年9月刊。
人人都知道生命在於運動，但只有很少人意識到，保持活躍的生活狀態，其實是我們大部分人都能夠做到的，而且也是我們改善或保持健康必做的頭等大事。定期運動不僅能夠降低罹患或死於心臟病、中風及糖尿病的風險，還能預防某些癌症，改善情緒，強健骨骼，強韌肌肉，提高肺活量，減少跌倒及骨折的風險，以及幫助維持健康體重。而上述這些都還只是我們比較熟悉的一些運動的益處而已。
在過去幾年中，該領域的研究發展迅速，對於運動對健康的益處的研究也日益深入。除了別的好處之外，體育鍛鍊似乎還能夠提升大腦功能(特別是專注力、組織和計劃的能力)，減輕某些個體的抑鬱及焦慮症狀，以及提升免疫系統發現及抵抗某些癌症的能力。此外，研究人員已不再局限於描述定期體育活動對於健康的明顯益處，而開始在細胞分子水平，詳細研究體育鍛鍊對於動脈粥樣硬化患者和糖尿病人的正面影響。
許多研究體育鍛鍊如何影響人體內各種系統(心血管系統、消化系統、內分泌系統以及神經系統等)的項目發現，大多數對健康的益處都來自體育運動對多種生理活動的中小幅度改善，而非對特定細胞組織中少數生理過程的大幅改變。
研究人員還發現，並非只有成為鐵人三項運動員才能從鍛鍊中獲益。20年前，預防醫學專家幾乎只關注高強度運動對於健康的助益。如今，他們也開始強調經常進行中強度運動的益處。在護士健康研究(Nurses』 Health Study)及婦女健康倡議計劃(Women's Health Initiative)這兩個大型研究項目中，本文作者之一的曼森參與了對於中強度與高強度鍛鍊對健康助益的比較研究。基於這些研究數據，最新的《美國鍛鍊指南》(U.S. exercise guideline，2008年出版)建議公眾，每周進行至少30分鐘的中強度運動(例如快步走)五次或以上，或者每周進行一次75分鐘的高強度運動(例如慢跑)，並且每周進行至少兩次30分鐘以上的肌肉強化運動。
對於這些發現進一步的仔細分析，可以讓我們認識體育鍛鍊是如何在不知不覺中保護我們的身體，並保持其正常運作的。
即時效應
為了全面地理解這些最新的發現，我們先來了解身體如何應對增加的生理需求。對於不同的個體，體育鍛鍊可能意味著完全不同的運動。從雪鞋健行(snowshoe)到游泳、沙灘漫步，體育鍛鍊的形式多種多樣，運動強度也各不相同。有氧運動會顯著地提高肌肉的需氧量，需要肺部高強度工作。它對健康的助益最為人們所了解。但是其他保持在原地不動的鍛鍊(例如舉重或平衡練習)，也有它們的益處。
科學家們已經研發了一套嚴謹的方法，在實驗室中測量有氧運動的強度。而一種能夠在實驗室外更經濟地測定運動強度的有效方法，就是說話測試(talk test)。當體育活動達到中等強度時，你的心跳開始加快，呼吸開始加重。只要你還可以邊運動邊說話或背誦詩歌，你的運動強度就還處於中等水平。如果你運動時一次只能說一兩個字，那麼你就是在進行高強度的鍛鍊。如果你運動時還能唱歌的話，那你的運動強度就十分輕微了。
無論人體什麼時候開始加快步伐，神經系統都會將身體的各個器官調整到相應的運動狀態。最初，個體可能會注意到自己感知力變得更敏銳，心跳和呼吸開始加速，身體開始輕微出汗。此刻，人體胃腸道和腎臟這類非運動必需的器官內血流量開始減少。同時，運動肌內的血管開始擴張，以確保肌肉組織中供氧充足，達到最佳工作狀態。
進入肌肉細胞中的氧氣，會進一步滲入一種叫做線粒體(mitochondria)的細胞器中，它們利用氧氣來為細胞製造能量。人體將較大的食物顆粒消化吸收，分解成葡萄糖分子，作為線粒體產能過程的基本燃料。在線粒體中，氧氣促使葡萄糖分子發生一種高效產能的氧化反應。在有氧條件下，線粒體中葡萄糖分子的產能效率比無氧條件下高出近20倍。
身體首先利用的是以糖原(glycogen)形式存在於肝臟和肌肉組織中的葡萄糖分子。但隨著運動的進行，體內可用的糖原很快被耗盡，甘油三酯(triglyceride，一種脂肪)分子成為主要的能量來源。所有這些體內的氧化反應，都會產生一些副產物，例如乳酸和二氧化碳。這些副產物會從肌肉組織滲入血液中，流到身體各個部位。這些副產物水平的升高會促發大腦、肺部和心臟的一系列生化反應，更有效和更輕鬆地將這些廢物從體內清除。
一旦體育活動成為了一種習慣，運動對身體的好處就真正開始慢慢積累起來。身體開始習慣體育活動所增加的各種生理需求，個體的耐力隨之提高，而身體也變得越來越健康。舉例來說，每次呼吸的加深，肺部所處理的氧氣量增加，心臟泵出的血液量也會增加。當個體的體育活動量達到或超過美國政府的建議標準後幾周內，通常就會出現這些適應性的生理反應，而這些生理反應還會使人體產生一些生理變化，使個體健康得到長期的改善。
分子變化
體育鍛鍊對於人體各方面的影響，迄今已積累了龐大的研究數據，從對各個主要器官系統的影響，到對多種基因活性的影響。圖表「體育運動的益處」就列舉了其中一些主要的研究結論。但是我們在本文里關注的是一些新發現的機理，它們能幫助解釋為什麼體育鍛鍊可以拓展我們的認知能力，改善我們控制血糖的能力，加強我們的心血管系統。在運動所帶來的益處之中，這些變化對於我們日常生活品質的影響是最大的。
運動員們早就發現運動可以提升他們的情緒，改善他們的心理健康。然而，直到2008年科學家才終於能夠直接測量所謂的「跑步者的快感」(runner's high)——這是一種長時間運動後，個體所感受到的愉悅感。他們發現，在長跑中，人的大腦會釋放出更多的內啡肽(一種能產生愉悅感的鴉片樣激素)，而且這種物質會作用於大腦中掌管強烈情緒的區域。(以前的研究只發現血液中內啡呔含量的增加，而並沒發現這與大腦中的變化相關。)
最近，研究人員開始關注運動產生的大腦化學變化，以及它們如何提高人們的專注力、思維和決策能力。2011年，一項對120位60～70歲老年人所進行的嚴謹科學實驗(即隨機對照實驗)顯示，運動會增加大腦中海馬體的體積。該項研究論文的作者提到，海馬體中受運動影響的部位其實正是掌管人們對熟悉環境記憶的部位，同時它也是大腦中少數幾個能夠產生新神經細胞的區域之一(至少在大鼠中如此)。新生神經細胞被認為有助於個體區分相似的不同事物。動物研究還進一步顯示，運動可以提高腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的水平，而這種化學物質正是誘發新生神經細胞生長的分子。
目前，多項科學研究正在挑戰我們對於運動預防心臟疾病的認識。最初，科學家們認為日常鍛鍊之所以能夠降低心血管疾病的患病風險，主要是通過降低血壓和減少血液中的低密度脂蛋白膽固醇分子(即壞的膽固醇)含量，提高高密度脂蛋白膽固醇分子(即好的膽固醇)含量。這個結論其實只講對了部分原因。運動確實能夠顯著降低一些人的血壓，但對於大多數人，運動的這一益處相對較小。而且，通過運動(特別是負重訓練一類的阻力鍛鍊)來提高血液中高密度脂蛋白膽固醇的含量，即使是只提高几個百分點，也需要好幾個月的時間。
進一步的研究顯示，運動對於低密度脂蛋白膽固醇的影響，更重要的是改變該分子的特性，而非降低該分子在血液中的水平。從嚴格意義上來講，低密度脂蛋白並不等同於膽固醇，它其實是膽固醇在血液中的載體，就好像運載貨物的卡車一樣。(膽固醇的脂類組成使其無法溶解在血液的水環境中，因而它必須被包裹在可以溶於水的物質中。)低密度脂蛋白顆粒也有多種不同的大小，就像運載貨物可以是麵包車，也可以是大卡車。
在過去的幾年中，越來越多的科學家發現，分子較小的低密度脂蛋白特別危險。例如，它們容易釋放出電子，在血管中橫衝直撞，破壞其他分子和細胞(可以把它想像成由瘋狂司機駕駛的破貨車)。另一方面，分子較大的低密度脂蛋白則穩定得多，它隨著血液流動，不會撞到任何東西(就好像由專業司機駕駛的大卡車)。
目前的研究顯示，運動可增加較大的、更安全的低密度脂蛋白的數量，同時降低較小的、更危險的低密度脂蛋白的數量。運動能夠增加脂肪和肌肉組織中的脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase)活性，從而改變較大和較小低密度脂蛋白的比率。如果兩個人運動的程度不同，即使他們血液中的膽固醇水平相同，他們罹患心臟疾病的風險也會大相逕庭。久坐不運動的人體內可能存在大量小分子的低密度脂蛋白，而經常運動的人血液中則可能是大分子的低密度脂蛋白占多數。即使這兩個人的膽固醇水平完全相同，前者心臟病發作的風險也可能是後者的數倍。
定期運動還能對血液中的另一種重要成分——葡萄糖——產生正面的影響。無論是在靜息時還是運動時，肝臟、胰臟和骨骼肌(轉動頭部、手臂、腿和身體的肌肉)通常會合作無間，以確保身體各部位獲得所需的糖分。運動無疑會增加人體對骨骼肌的要求，骨骼肌就會需要更多葡萄糖來滿足這些要求。長期來講，運動還會促使肌肉纖維更有效地利用葡萄糖，這樣會使肌纖維更強壯。
當身體發出需要更多能量的信號時，肝臟會馬上把糖分子釋放到血液中，而胰臟則會分泌胰島素，指示細胞吸收血液中增加的葡萄糖。你可能會認為，這一過程或許會導致餐後或運動後血糖水平的急劇變化，但是在正常人體內，血糖水平卻一直被控制在70～140mg/dL的有限範圍內(空腹血糖維持在126mg/dL以下)。血糖水平必須保持在70mg/dL以上是因為，葡萄糖是大腦的主要能量來源，大腦對血糖濃度的變化十分敏感。雖然極端的低血糖可能在幾分鐘內導致昏迷和死亡，但從生理學的角度來看，避免血糖長期處於高濃度水平也同樣重要。大致來講，血液中多餘的糖分容易使身體狀況變糟，導致細胞過早老化。
當體育鍛鍊成為日常習慣，人體的肌肉組織對胰島素的敏感性就會提高。這就意味著胰臟不必如此辛苦地運作，就能保持機體內血糖穩定;低濃度的胰島素就能達到過去高濃度胰島素所能達到的效果。這對於2型糖尿病患者具有特別的意義，因為他們要保持一個正常血糖值十分困難，這在很大程度上是由於他們對胰島素產生了耐受性。而且，胰島素同時也會促進細胞的增殖(即快速產生新細胞)，因此，高濃度的胰島素會增加罹患乳腺癌和結腸癌的風險。
最近，研究發現體育運動還能促進另一種吸收葡萄糖的途徑，這種途徑不依賴胰島素。多一種不依賴胰島素將葡萄糖從血液之中移出，並轉移到肌肉細胞的途徑，可能為糖尿病的治療開闢一個新的方向。
有趣的是，進行多種不同運動的糖尿病患者，似乎從運動中獲益更多。兩項大型的隨機對照實驗發現，將有氧運動與阻力訓練結合，比單獨一種運動更有助於控制人體的血糖水平。但是，第一項研究由於其實驗設計的關係，無法確定參加有氧和阻力結合訓練的測試個體比參加單項運動的測試個體受益更多，到底是由於同時進行兩種運動的關係，還是由於其運動的總時間較長。本文的作者之一丘奇於是決定針對這一問題，展開第二項實驗。他將262位久坐不運動的糖尿病患者分成4個小組：有氧運動組(在跑步機上行走)，阻力訓練組(坐姿划艇、腿推舉等運動)，綜合組(結合有氧運動和阻力訓練的運動)及對照組。
在實驗進行的9個月時間裡，每個實驗組的個體進行體育活動的時間和強度都大致相當(每周大約140分鐘)。所有參與實驗的個體腰圍都有所減少，而且進行了有氧運動的兩組人都變得更健康了。但只有綜合組個體的血液中HbA1c的含量有顯著下降——HbA1c是一個反映過去幾個月平均血糖水平的蛋白指標。兩種運動的疊加效應暗示，有氧運動和阻力訓練對於身體的影響機制不盡相同。目前，美國彭寧頓生物醫學研究中心及其他地方的研究人員都在積極探索其中緣由。
運動還能通過促進產能的線粒體的形成，來增強肌肉組織。日常的體育鍛鍊會使肌肉細胞產生一種叫做PGC-1α的蛋白質，這種蛋白質會促使細胞大量製造新的線粒體。細胞內的線粒體越多，細胞利用葡萄糖產能就越多，從而增加肌肉強度，抵抗肌肉疲勞。
久坐的危害性
既然中強度的體育運動對身體有如此多的好處，你可能會以為每個人都會繫緊鞋帶，開始出門運動了。但很多美國人甚至還沒有達到每次半小時，每周5次以上的中強度運動。只有52%美國成年人達到《美國鍛鍊指南》中有氧運動的指導標準，僅有29%的人會完成每周兩次，每次30分鐘的肌肉訓練。每5個美國人中，只有1個達到了《美國鍛鍊指南》中推薦的有氧運動與阻力訓練的鍛鍊標準。
要想一下子改變人們久坐不運動的習慣並非易事，因此科學家們開始研究強度較輕、時間較短的運動是否也對健康有好處。他們希望，肯定的研究結果能夠促使那些成天蜷縮在沙發里的人儘量多動一下。到目前為止，初步的研究結果顯示，即使是最小量的日常運動也有助於延年益壽。2012年，對於六項研究中65.5萬美國成年人10年的跟蹤調查數據分析發現，每天僅僅花11分鐘進行休閒活動的個體，其40歲之後的預期壽命也比不愛動的個體長1.8年。無可否認，那些達到鍛鍊標準的個體壽命更長，他們的預期壽命比不愛動的個體長3.4年。而那些每天進行60～90分鐘體育活動的個體，其預期壽命更是比不愛動的個體長4.8年。
即使是最小量的運動也有好處。而且，我們全面審視迄今為止的運動研究後，結果顯示，如果增加運動量，大多數人會在其中受益。例如，如果他們一般進行輕度運動，就適當進行中強度運動，或者如果他們一般進行中強度運動，就增加短時間的劇烈運動。也許，對於現今坐在辦公室里的知識型工作者來說，最壞的消息是，就算你在進行少量高強度的訓練，每天的閒暇時間坐上六個多小時也是有害的。這是坐著這個姿勢本身的原因，還是與久坐不動造成的缺乏運動有關，還是個未知數。
鑑於越來越多層出不窮的證據證明了體力活動對健康的好處，啟示是明確的。定期進行長時間運動——將強度級別控制在安全範圍內——需要成為每個人的日常習慣，而整個社會需要形成鍛鍊的風氣。鍛鍊應該像現在人們一出門就跳進汽車裡那樣常見。
我們強烈建議，醫生和其他衛生保健工作者在人們來進行常規檢查時，在處方上寫上「定期運動」。此外，在現今社會，人們常常久坐，但也有一些行為模式，公共衛生運動和城市設計的變化是有利於人們增加體力活動水平的，我們建議應該對這些有利於人們增加體力活動水平的因素進行更深入的研究。
本文作者
美莎莉•S•巴蘇克是布里格姆婦女醫院的流行病學家，同時也是哈佛醫學院的助理研究員。
蒂莫西•S•丘奇是美國路易斯安那州立大學，彭寧頓生物醫學研究中心約翰•S•麥基爾亨尼講座教授(John S. McIlhenny Endowed Chair)，預防醫學研究實驗室主任。
喬安•E•曼森是布里格姆婦女醫院預防醫學部的主任，哈佛醫學院的醫學教授及麥可-李•貝爾婦女保健教授(Michael and Lee Bell Professor of Women's Health)，同時她也是哈佛公共衛生學院流行病學系的教授。