2.1 体力劳动时的能量消耗

2.1.1 人体能量的产生机理

1.ATP-CP系列

在要求能量释放速度很快的情况下，肌细胞中的ATP能量由磷酸肌酸（CP）与二磷酸腺苷合成予以补充，即

上述过程简称为ATP-CP系列。ATP-CP系列提供能量的速度极快，但由于CP在人体内的储量有限，其产能过程只能维持肌肉进行大强度活动几秒钟。

2．需氧系列

在中等劳动强度下，ATP以中等速度分解，又通过糖和脂肪的氧化磷酸化合成而得到补充，即

由于这一过程需要氧参与合成ATP，故称为需氧系列。在合成的开始阶段，以糖的氧化磷酸化为主；随着持续活动时间的延长，脂肪的氧化磷酸化转变为主要过程。

3．乳酸系列

在大强度劳动时，能量需求速度较快，相应ATP的分解也必须加快，但其受到供氧能力的限制。此时便靠无氧糖酵解产生乳酸的方式来提供能量，故称其为乳酸系列，即

乳酸逐渐扩散到血液，一部分排出体外，一部分在肝、肾内部又合成为糖原。营养充足合理的条件下，经过休息，乳酸可以较快的合成为糖原。

虽然糖酵解时1g分子葡萄糖只能合成2g分子ATP，但糖酵解的速度比氧化磷酸化的速度快32倍，所以是高速提供能量的重要途径。乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成少量的ATP，在体内糖原含量有限的条件下，这种产能方式不经济。此外，目前认为乳酸还是一种致疲劳性物质，所以乳酸系列提供能量的过程不可能持续较长时间。

三种产能过程可概括于图2.l中，其一般特性见表2-1。

肌肉活动的时间越长、强度越大，恢复原有储备所需的时间也越长。在食物营养充足合理的条件下，一般在24h内便可得到完全恢复。肌肉转换化学能做功的效率约为40%，若包括恢复期所需的能量，其总效率大约为10%～30%，其余70%～90%的能量以热的形式释放。

【阅读材料2-1】 能量代谢——产能途径

肌肉体积的增大是肌肉生理横断面积加大的体现。肌肉横断面的增加，主要是肌纤维增粗的结果（一说通过训练肌纤维数目也可增加）。肌纤维增粗，则主要反映肌球蛋白含量的增加。此外，肌肉结缔组织增厚、肌肉毛细血管网增生以及其他内含物如肌红蛋白、CP（磷酸肌酸）、ATP（三磷酸腺苷）和ADP（二磷酸腺苷）、肌糖原等的增加，也是肌肉体积增大的原因。肌肉的锻炼过程实际上是一种破坏与消耗的过程，其后，所破坏、消耗的一切将有“超量恢复”的效应。肌肉活动的直接能源是ATP，但肌肉中ATP的储备很少，必须边分解供能边重新合成才能保证肌肉的重复活动。ATP的重新合成有赖于CP分解释放的能量，但肌肉中CP的含量也很有限，也必须边分解边合成才行。CP再合成所需的能量来自糖的酵解与氧化，以及脂肪与蛋白质的氧化。随着运动时间的延长及负荷强度和性质的变化，肌肉在ATP、CP供能后，ADP（ATP的前身）的再合成将逐渐由糖酵解（无氧代谢）过渡到糖和脂肪的有氧代谢。然而，由于肌肉内储氧物质肌红蛋白的数量较少，其储氧量难以满足有氧代谢的需求，因而供氧的途径就非血液莫属了。此为“充血”的理由之一。理由之二是，在训练间歇时，ATP和CP的恢复效率对防止乳酸积累、延缓疲劳发生、提高训练效果有相当重要的作用，而ATP、CP以及快速供氧的氧合肌红蛋白的恢复，均有赖于血液运送到的氧及其他能源物质。此外，“充血”能力的提高也有助于改善主练肌的供血状况，增生毛细血管。“充血”还表明训练者对肌肉的控制能力以及神经支配肌肉和“意念”活动的能力。

2.1.2 作业时人体的耗氧动态

作业时人体所需氧量的大小，主要取决于劳动强度和作业时间。劳动强度越大，持续时间越长，需氧量也越多。人体在作业过程中，每分钟所需要的氧量即氧需能否得到满足，主要取决于循环系统的机能，其次取决于呼吸器官的功能。血液每分钟能供应的最大氧量称为最大摄氧量，正常成年人一般不超过3L/min，常锻炼者可达4L/min以上，老年人只有1～2L/min。

从事体力作业的过程中，需氧量随着劳动强度的加大而增加，但人的摄氧能力却有一定的限度。因此，当需氧量超过最大摄氧量时，人体能量的供应依赖于能源物质的无氧糖酵解，造成体内的氧亏负，这种状态称为氧债。氧债与劳动负荷的关系如图2.2所示。

当作业中需氧量小于最大摄氧量时，在作业开始的2～3min内，由于心肺功能的生理惰性，不能与肌肉的收缩活动同步进入工作状态，因此肌肉暂时在缺氧状态下工作，略有氧债产生，如图2.2（a）中的A区所示。此后，随着心肺功能惰性的逐渐克服，呼吸、循环系统的活动逐渐加强，氧的供应得到满足，机体处于摄氧量与需氧量保持动态平衡的稳定状态，在这种状态下，作业可以持续较长时间。稳定状态工作结束后，恢复期所需偿还的氧债，如图2.2（a）中的B区所示。在理论上，A区应等于B区。

当作业中劳动强度过大，心肺功能的生理惰性通过调节机能逐渐克服后，需氧量仍超过最大摄氧量时，稳定状态即被破坏。此时，机体在缺氧状态下工作，可持续时间仅仅局限在人的氧债能力范围之内。一般人的氧债能力约为10 L。如果劳动强度使劳动者每分钟的供氧量平均为4L，而劳动者的最大摄氧量仅为3L/min，这样体内每分钟将以产生7g乳酸作为代价来透支1L氧，即劳动每坚持1min，必然增加1L氧债，如图2.2（b）中的A区所示，直到氧债能力衰竭为止。在这种情况下，即使劳动初期心肺功能处于惰性状态时的氧债（图（b）中的A区）忽略不计，劳动者的作业时间最多也只能持续10 min即达到氧债的衰竭状态。恢复期需要偿还的氧债，应为A区加C区之和。

体力作业若使劳动者氧债衰竭，可导致血液中的乳酸含量急剧上升，pH值下降。这对肌肉、心脏、肾脏以及神经系统都将产生不良影响。因此，合理安排作业间的休息，对于重体力劳动是至关重要的。

人体能量产生和消耗称为能量代谢。人体代谢所产生的能量，等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、间接转化为热的能量的总和。在不对外做功的条件下，体内所产生的能量等于由身体散发出的热量，从而使体温维持在相对恒定的水平上。

能量代谢分为三种，即基础代谢、安静代谢和活动代谢。

1．基础代谢

人体代谢的速率，随人所处的条件不同而异。生理学将人清醒、静卧、空腹（食后10 h以上）、室温在20℃左右这一条件定为基础条件。人体在基础条件下的能量代谢称为基础代谢（basal metabolism）。单位时间内的基础代谢量称为基础代谢率，用B表示，它反映单位时间内人体维持基本的生命活动所消耗的最低限度的能量，通常以每小时每平方米体表面积消耗的热量来表示。

我国正常人基础代谢率平均值见表2-2。健康人的基础代谢率是比较稳定的，一般不超过平均值的15%。基础代谢率一般是男性高于同龄女性，少年儿童高于同性别的成年人，中青年高于老年人。此外，温度、精神状态、训练等也在一定程度上影响着基础代谢率。

2．安静代谢

安静代谢（repose fully expend energy）是作业或劳动开始之前，仅为了保持身体各部位的平衡及某种姿势对应的能量代谢。安静代谢量包括基础代谢量。测定安静代谢量一般是在作业前或作业后，被测者坐在椅子上并保持安静状态，通过呼气取样采用呼气分析法进行的。安静状态可通过呼吸次数或脉搏数判断。通常也可以将常温下基础代谢量的120%作为安静代谢量。安静代谢率用R表示。

3．能量代谢

人体进行作业或运动时所消耗的总能量，称为能量代谢（energy metabolism）量。能量代谢率记为M。对于确定的作业个体，能量代谢量的大小与劳动强度直接相关。能量代谢量是计算作业者一天的能量消耗和需要补给热量的依据，也是评价作业负荷的重要指标。

4．相对能量代谢率

体力劳动强度不同，所消耗的能量也不同。由于劳动者性别、年龄、体力与体质存在差异，即使从事同等强度的体力劳动，消耗的能量亦不同。为了消除劳动者个体之间差异因素，常用活动代谢率与基础代谢率之比即相对能量代谢率（relative metabolic rate）来衡量劳动强度的大小。即相对能量代谢率RMR为

或

表2-3和表2-4为不同活动类型的RMR的实测值和推算值。

除利用实测方法之外，还可用简易方法近似计算人在体力劳动中的能量消耗，公式为：总能耗MZ=（1.2+RMR）基础代谢率平均值（B）×体表面积（S）×活动时间（t）。

5．影响能量代谢的因素

影响人体作业时能量代谢的因素很多，如作业类型、作业方法等。

由表2-3和表2-4可看出不同类型的作业对能量代谢的影响。表2-3给出了不同作业的能量消耗值，其范围从1.6～1 6.3kcal/min。

作业方法不同，能量消耗也不同。S.R．德塔（S.R.Data）等人对搬运重物的七种方式进行了研究，测得相应的氧耗量如图2.4所示。图中将单肩双包式（将重物平分为两包，一前一后搭在肩上）搬运所需的氧耗量定为100%，其余六种方式按相对于单肩双包式氧耗量递增的顺序依次排列。由图可知，搬运重物用单肩双包式氧耗量最小，而用手提式氧耗量最大。

各种不同姿势的相对氧耗量，如图2.5所示。以仰卧式所需的氧耗量为100%，其余四种姿势相对于仰卧姿势的氧耗量标注于图中。由图可知，仰卧式氧耗量最小，而弯腰姿势氧耗量最大。

能量代谢的测定方法有两种，即直接法和间接法。直接法是通过热量计测定在绝热室内流过人体周围的冷却水的升温情况，换算成能量代谢率；间接法是通过测定人体消耗的氧量，再乘以氧热价求出能量代谢率。

人体消耗的能量来自于人体摄取的食物，糖、脂肪和蛋白质是食物中的三大供能物质。通常把1g供能物质氧化时所释放出的热量，称为物质的卡价。糖和脂肪在体外燃烧与体内氧化所产生的热量相等，即1g糖平均产生热量17.4kJ,1g脂肪平均产生热量40 kJ;1g蛋白质在体外燃烧产生热量23.4kJ，而在体内不能完全氧化，只产生热量17.9kJ，其余5.5kJ的热量是以尿素形式排泄到体外继续燃烧时产生的。

物质氧化时，每消耗1L氧所产生的热量称为物质的氧热价。由于物质的分子结构不同，氧化时消耗的氧也不相同。例如1g糖完全氧化约消耗氧0.83L，根据1g糖的卡价，可以算出每消耗1L氧可产生（17.4/0.83）kJ=20.9kJ热量。同理可以算出其他物质的氧热价，见表2-5。

通常把机体在同一时间内产生的CO2量与消耗的O2量的比值（CO2/O2）称为呼吸商（RQ）。由表2 5可见，不同物质在体内氧化时，产生的CO2量与消耗的O2量的比值不相同，一般混合食物的呼吸商常在0.80左右。但是由于蛋白质中的氮以尿素排泄，所以受试者吸进的O2量和产生的CO2量应减去验尿测出的尿氮分解所需的O2量和CO2的产生量，才能求得机体的非蛋白质氧化的耗O2量和CO2的产生量，此时的CO2的产生量与O2的消耗量的比值，称为非蛋白质的呼吸商（NQR）。表2-6列出了非蛋白质呼吸商和氧热价的关系。

实际应用中，经常采用省略尿氮测定的简便方法，即根据受试者在同一时间内吸入的O2量和CO2产生量求出呼吸商（混合呼吸商），而不考虑蛋白质代谢部分。实践证明，采用简便方法得到的结果不会有显著误差。

既然通过作业时消耗的O2量和产生的CO2量可以换算能量消耗，相对代谢率也可以通过测定作业者在作业和安静时消耗的O2量和产生的CO2的比值，计算作业者在作业和安静时各自的O2消耗量，然后乘以每消耗1L O2所产生的热量（氧热价），分别折算成作业和安静时的能量消耗。同理，若将作业者的基础代谢置换成O2消耗量或直接测定出基础代谢时的O2消耗量，则相对代谢率计算式又可写成