109 年 國立成功大學體育健康與休閒研究所乙組《運動生理學》

此題考查運動後過量耗氧量（EPOC）的定義與生理學意義。

解題說明：
運動後過量耗氧量（Excess Post-exercise Oxygen Consumption, EPOC），又稱為運動後耗氧量或延遲性氧債，是指運動結束後，身體為了恢復到運動前的靜息狀態，而需要消耗比平時更多的氧氣。這個過程主要涉及以下幾個方面：

1. ATP 和 PC 的再合成： 運動過程中，ATP（三磷酸腺苷）和 PC（磷酸肌酸）是主要的能量來源，它們在運動後需要重新合成。
2. 乳酸的清除： 運動產生的大量乳酸需要被轉化為肝醣或直接氧化分解，這個過程需要氧氣。

此題考查過度換氣的定義與生理學上的意義。

解題說明：
過度換氣（Hyperventilation）是指在沒有代謝性酸中毒（metabolic acidosis）或其他病理生理學原因的情況下，呼吸的頻率或深度超過身體的實際需要，導致過度排出二氧化碳（CO₂）。

生理學上的意義：

1. 二氧化碳分壓下降： 過度換氣最直接的後果是導致動脈血中二氧化碳分壓（PaCO₂）下降。
2. pH 值升高： CO₂ 是體內酸性物質的主要前驅物，PaCO₂ 的下降會導致血液 pH 值升高，引起呼吸性鹼中毒（respiratory alkalosis）。

此題考查副交感神經系統的定義、功能及其在運動生理學中的角色。

解題說明：
副交感神經（Parasympathetic nerve）是自主神經系統（Autonomic Nervous System, ANS）的一部分，與交感神經系統共同協調身體的許多非自主性功能。副交感神經主要負責「休息與消化」（rest and digest）的功能，與交感神經的「戰鬥或逃跑」（fight or flight）反應相對。

主要特徵與功能：

1. 神經節位置： 副交感神經節位於離目標器官較近的地方，或在目標器官壁內。
2. 神經傳導物質： 主要的神經傳導物質是乙醯膽鹼（acetylcholine）。
3. 對器官的影響：
   • 心臟： 減慢心率，降低心肌收縮力。
   • 呼吸道： 支氣管收縮，減緩呼吸。

此題考查除脂體重（Fat-Free Mass, FFM）的定義、組成與生理學意義。

解題說明：
除脂體重（Fat-Free Mass, FFM），又稱瘦體組織（Lean Body Mass, LBM），是指人體內除了脂肪組織以外的所有成分的總和。它是衡量身體組成的重要指標之一。

組成成分：
FFM 主要包括：

1. 骨骼（Minerals）： 鈣、磷等礦物質。
2. 肌肉（Water and Protein）： 肌肉組織的水分和蛋白質。
3. 器官（Water and Protein）： 心臟、肺、肝、腎等重要器官組織的水分和蛋白質。
4. 結締組織（Water and Protein）： 如肌腱、韌帶等。
5. 牙齒： 雖然牙齒主要由礦物質組成，但也包含在 FFM 中。

生理學意義：

此題考查呼吸交換率（Respiratory Exchange Ratio, RER）的定義、測量方式及其在運動生理學中的應用。

解題說明：
呼吸交換率（Respiratory Exchange Ratio, RER），又稱呼吸商（Respiratory Quotient, RQ），是指在特定時間內，人體內氧化產生的二氧化碳（CO₂）與攝取的氧氣（O₂）的比例。

計算公式：
$RER = \frac{\dot{V}CO_2}{\dot{V}O_2}$
其中 $\dot{V}CO_2$ 代表二氧化碳的產生速率，$\dot{V}O_2$ 代表氧氣的攝取速率。

生理學意義與應用：

1. 燃料利用的指標： RER 可以反映身體在能量代謝中主要利用的燃料類型。
   • 碳水化合物： 氧化一分子葡萄糖產生的 CO₂ 和消耗的 O₂ 比例約為 1.0。因此，當身體主要利用碳水化合物供能時，RER 約為 1.0。
   • 脂肪： 氧化一分子脂肪酸（如棕櫚酸）產生的 CO₂ 和消耗的 O₂ 比例約為 0.7。因此，當身體主要利用脂肪供能時，RER 約為 0.7。

此題考查磷酸肌酸（Phosphocreatine, PCr）的定義、功能及其在運動生理學中的重要性。

解題說明：
磷酸肌酸（Phosphocreatine, PCr），又稱為肌酸磷酸（Creatine Phosphate, CP），是一種高能磷酸鹽化合物，儲存在骨骼肌細胞中，作為一種快速的能量儲備，用於 ATP 的再合成。

功能與機制：

1. ATP 的快速再合成： 在肌肉劇烈收縮的初期，當 ATP 被分解產生能量後，PCr 會將其末端的磷酸基團轉移給 ADP（二磷酸腺苷），迅速重新合成 ATP。這個反應由肌酸激酶（creatine kinase, CK）催化：
   $PCr + ADP \xrightarrow{CK} ATP + Creatine$
2. 無氧能量系統： PCr 系統是人體最快速的能量供應系統，屬於無氧能量系統（anaerobic energy system）的一部分，它不需要氧氣參與，可以在數秒鐘內提供大量能量。

此題考查高強度間歇訓練（High Intensity Interval Training, HIIT）的定義、特點與生理學效益。

解題說明：
高強度間歇訓練（High Intensity Interval Training, HIIT）是一種訓練方法，其特點是在短時間內進行高強度運動（接近或超過最大攝氧量），然後緊接著進行短時間的低強度運動或完全休息，如此反覆進行。

主要特點：

1. 高強度運動階段： 運動強度通常達到最大心率的 80-95% 或更高，或者達到無氧閾值以上。
2. 短暫休息/低強度恢復階段： 休息時間通常與運動時間相等或略短，目的是讓身體稍微恢復，但仍保持較高的生理興奮水平。
3. 總訓練時間相對較短： 儘管強度高，但單次 HIIT 訓練的總時間通常比傳統的穩定狀態有氧運動（steady-state aerobic exercise）要短，約 10-30 分鐘。
4. 訓練模式： 可以是跑步、騎自行車、游泳、阻力訓練等各種運動形式。

生理學效益：

此題考查熱痙攣（Heat Cramps）的定義、症狀、原因及預防。

解題說明：
熱痙攣（Heat Cramps）是指在進行體力勞動或運動時，身體在高溫環境下，肌肉出現自發性、疼痛性的收縮，通常發生在較大的肌肉群，如腿部（股四頭肌、腓腸肌）和腹部。

症狀：

• 肌肉劇烈疼痛、抽搐、僵硬。
• 通常發生在運動或勞動過程中，或運動後不久。
• 體溫可能正常或僅略微升高，皮膚可能濕潤。

原因：
熱痙攣是熱疾病（heat illness）的一種較輕微形式，主要與以下因素有關：

1. 電解質流失： 在高溫環境下，大量出汗會導致體內鈉、氯等電解質大量流失。當汗液中電解質濃度較高時，身體未能及時補充，導致血漿電解質濃度下降，特別是鈉離子。
2. 水分流失： 脫水也會加劇電解質失衡，影響神經肌肉的正常功能。

此題要求列出不同程度的熱疾病名稱，並說明其共同的致病因素。

解題說明：
熱疾病（Heat Illness）是一系列與高溫環境暴露相關的病症，其嚴重程度從輕微的熱痙攣到危及生命的熱衰竭和熱衰竭。

一、熱疾病的名稱（依嚴重程度排序，8分）：

1. 熱痙攣（Heat Cramps）： 最輕微的熱疾病，表現為肌肉疼痛、抽搐。
2. 熱衰竭（Heat Exhaustion）： 較嚴重的熱疾病，身體因水分和電解質大量流失而無法有效散熱，導致體溫升高（通常 < 40°C），伴隨頭暈、噁心、虛弱、出汗過多等症狀。
3. 熱衰竭（Heatstroke）： 最嚴重且危及生命的熱疾病。體溫調節中樞失調，導致體溫急劇升高（通常 ≥ 40°C），中樞神經系統功能受損（如意識不清、昏迷），皮膚可能停止出汗。這是醫療緊急情況。

*備註：有時也會提及「熱衰竭」（Heat Exhaustion）和「熱衰竭」（Heatstroke）的區別。考題中「熱病」是一個統稱，列出這三種是最常見且最能體現程度差異的。

二、導致熱病的因素（至少三種，6分）：

此題考查運動增補劑（ergogenic aids）的知識，要求列舉四種合法且常見的運動增補劑，並說明其功效。

解題說明：
運動增補劑是指任何能提高運動表現或促進運動恢復的物質、方法或設備。在運動生理學中，我們通常關注那些有科學證據支持其安全性和有效性的合法增補劑。

四種合法使用的運動增補劑及其功用：

1. 肌酸（Creatine）：

   • 功用： 主要用於提高短時間、高強度運動（如舉重、衝刺）的爆發力、力量和訓練容量。它通過增加肌肉中磷酸肌酸（PCr）的儲存量，加速 ATP 的再合成，從而延緩肌肉疲勞。同時，它也有助於增加肌肉量和加速運動後恢復。
   • 科學證據： 有大量研究支持其在特定運動項目中的效果。

2. 咖啡因（Caffeine）：

   • 功用： 是一種中樞神經系統興奮劑，可以提高警覺性、減少疲勞感，從而提高耐力運動的表現。它可能通過影響腺苷受體、增加脂肪利用、改善肌肉收縮等機制發揮作用。
   • 科學證據： 廣泛被證實對耐力運動和高強度間歇運動有益。

3. β-丙胺酸（Beta-Alanine）：

   • 功用： 是一種胺基酸，可以與組織胺酸結合形成肌肽（carnosine）。肌肽是肌肉內的一種緩衝劑，能夠緩解運動過程中產生的氫離子（H⁺），從而延緩肌肉的酸性累積和疲勞，特別有利於高強度、持續時間約 1-4 分鐘的運動。
   • 科學證據： 顯示對中高強度運動表現有提升作用。

此題要求從生理學角度闡述運動對壽命長短和生命品質的影響。這是一個綜合性的問題，需要結合多個生理系統的適應性變化來論述。

解題說明：
運動對人體健康的影響是多方面的，它不僅能延長壽命，更能顯著提升生活品質。從生理學角度來看，這些影響體現在各個系統的結構與功能適應性改變。

一、運動對壽命長短的影響（生理學機制）：

1. 心血管系統的強化：

   • 心臟結構與功能改善： 長期規律運動可使心肌增厚、心腔擴大（運動性心臟肥大），提高心臟搏出量（stroke volume），進而降低靜息心率（resting heart rate）。
   • 血管彈性與功能提升： 運動能促進血管內皮細胞功能，增加一氧化氮（NO）的釋放，促進血管舒張，降低周邊血管阻力，改善血壓控制。
   • 血脂代謝改善： 運動能提升高密度脂蛋白（HDL）水平，降低低密度脂蛋白（LDL）和三酸甘油酯水平，減少動脈粥樣硬化的風險。
   • 總結： 這些心血管系統的適應性改變，能有效預防心肌梗塞、中風、高血壓等心血管疾病，這些疾病是導致壽命縮短的主要原因。

2. 代謝系統的調節：

   • 血糖控制改善： 運動能增加肌肉對葡萄糖的攝取（透過增加葡萄糖轉運蛋白 GLUT4 的表達和活性），提高胰島素敏感性，有效預防和控制第二型糖尿病。
   • 體重管理： 運動能增加能量消耗，促進脂肪氧化，有助於維持健康的體重和體組成，降低肥胖相關的慢性病風險。
   • 總結： 良好的代謝控制能延緩與衰老相關的代謝性疾病的發生。

3. 免疫系統的調節：

   • 適度運動的益處： 規律的適度運動可以增強免疫細胞（如 NK 細胞、T 細胞）的活性，提高免疫監控能力，有助於清除癌細胞和病毒感染。
   • 避免過度訓練的負面影響： 過度劇烈的運動可能暫時抑制免疫功能，增加感染風險。
   • 總結： 穩定的免疫功能是抵抗疾病、維持生命的重要保障。

4. 神經系統的保護：

   • 腦部血流量增加： 運動能改善腦部血液循環，提供充足的氧氣和營養。

此題要求以肌肉滑動學說（Sliding Filament Theory）為基礎，解釋肌肉纖維收縮的生理機制。這需要詳細描述肌動蛋白和肌凝蛋白的交互作用過程。

解題說明：
肌肉滑動學說（Sliding Filament Theory）是目前最廣泛接受的解釋肌肉收縮的理論。它指出，肌肉收縮並非是肌纖維本身的縮短，而是位於肌纖維內的肌動蛋白（actin）細絲與肌凝蛋白（myosin）粗絲發生相對滑動，導致肌小節（sarcomere）長度縮短，進而使整個肌纖維收縮。

肌肉纖維收縮的機制（依據滑動學說）：

1. 神經衝動的傳遞與鈣離子的釋放：

   • 神經肌肉接頭（Neuromuscular Junction）： 當運動神經元發出衝動時，會在神經肌肉接頭處釋放乙醯膽鹼（acetylcholine, ACh）。
   • 肌膜去極化： ACh 結合到肌纖維膜（sarcolemma）上的受體，引起肌膜的局部去極化，產生動作電位。
   • 橫管系統（T-tubules）： 動作電位沿著肌膜傳播，並進入肌纖維內的橫管系統。
   • 肌漿網（Sarcoplasmic Reticulum, SR）： 橫管系統的電生理信號會刺激儲存鈣離子的肌漿網，使其釋放出大量的鈣離子（Ca²⁺）到肌漿（sarcoplasm）中。

2. 肌動蛋白與肌凝蛋白的交互作用（滑動機制）：

   • 調節蛋白的位阻： 在靜息狀態下，肌動蛋白細絲上有兩個調節蛋白： the tropomyosin（原肌球蛋白）和 the troponin（肌鈣蛋白）。肌鈣蛋白附著在原肌球蛋白上，並將原肌球蛋白固定在肌動蛋白的肌凝蛋白結合位點上，阻止肌凝蛋白頭部與肌動蛋白結合。
   • 鈣離子結合： 當鈣離子濃度升高時，鈣離子會結合到肌鈣蛋白的 C 亞基上。
   • 構象改變與結合位點暴露： 鈣離子的結合會引起肌鈣蛋白的構象改變，進而使原肌球蛋白沿著肌動蛋白細絲移動，暴露了肌動蛋白上的肌凝蛋白結合位點。
   • 肌凝蛋白頭部的結合（Cross-bridge Formation）： 暴露的結合位點允許肌凝蛋白粗絲上的肌凝蛋白頭部（myosin heads）與肌動蛋白細絲結合，形成橫橋（cross-bridge）。