Co ogranicza ludzką wytrzymałość? – badania

Wielu z nas zastanawia się, jak określić granice ludzkiej wytrzymałości. Badania przeprowadzone podczas wieloetapowego wyścigu przez kontynent amerykański przyniosły bardzo ciekawe wnioski w tej sferze. Naukowcy porównali też kobiety w ciąży, kolarzy startujących w Tour de France i osoby podejmujące ekstremalne wysiłki, by sprawdzić ograniczenia stojące na drodze naszego organizmu. Okazało się, że dość poważne limity stawia nam układ pokarmowy, który nie jest w stanie przetworzyć wystarczającej ilości energii. Dowiedzcie się, dlaczego.

Artykuł opublikowany w Science Advances rozpatruje tę kwestię na bardzo różne sposoby. Badania prowadzone przez Hermana Pontzera z Duke University i Johna Speakmana z Uniwersytetu Aberdeen pokazują, że limit ludzkiej wytrzymałości wynosi około 2,5-krotność naszej podstawowej przemiany materii. W wartościach liczbowych będzie to nieco ponad 4000 kcal na dzień dla przeciętnej osoby. Naukowcy twierdzą, że więcej energii nie da się produkować w długim czasie, bo organizm będzie dążył właśnie do takiej wartości. Badania informują także, że kobiety spodziewające się dziecka są w pewnym stopniu „specjalistkami” w takiej wytrzymałości, utrzymując się w górnych granicach metabolizmu w okresie ciąży i laktacji.

Najbardziej interesującą częścią artykułu są dane, jak różne wysiłki wytrzymałościowe wykorzystują energię. Punktem wyjścia były dane z ekstremalnego Wyścigu Przez USA (Race Across USA), czyli 140-dniowego biegu etapowego przez Amerykę Północną: od Pacyfiku do Atlantyku, a dokładniej z Huntington Beach w Californii do Waszyngtonu. Sześciu uczestników z edycji 2015 r. zgodziło się na badania w trakcie trwania zmagań (od 16 stycznia do 2 czerwca 2015 r.). Podczas tej imprezy uczestnicy pokonywali średnio 6 maratonów w ciągu tygodnia przez kilka miesięcy.

Naukowcy sprawdzali, jak odbija się to na ich organizmach. Spoczynkowa przemiana materii (resting metabolic rate – RMR), czyli ilość energii, która jest zużywana podczas spoczynku, była mierzona w 1. i 20. tygodniu za pomocą pomiarów gazometrii. Mierzono również spalane kalorie, a konkretnie całkowite zużycie energii (Total Energy Expenditure – TEE) w pierwszym i ostatnim tygodniu biegu. Zebrane dane wykazały, że zużywana energia początkowo była bardzo wysoka, ale później zbliżyła się do średniej wartości około 2,5 raza spoczynkowej przemiany materii.

Naukowcy argumentują, że wartość 2,5 może być ograniczana przez układ pokarmowy, a nie np. przez serce, płuca czy mięśnie, a więc poziom wytrenowania czy wrodzone możliwości. Nasze ciało nie może przetrawić, wchłonąć i przetworzyć wystarczającej ilości kalorii i składników mineralnych, by utrzymać wysoki poziom produkcji energii. Zaczyna więc używać tkanki tłuszczowej i mięśni, które później może zregenerować. Jednak w ekstremalnych przypadkach (w granicznych wysiłkach) balansujemy na granicy użycia energii. Granica ta ma być zbliżona do 2,5 RMR. Zdarzają się oczywiście wyjątki, ale o tym później.

Aby znaleźć „wspólny mianownik” dla różnych sportów czy rodzajów wysiłku, naukowcy przedstawiali wyniki w wartościach zakresów metabolicznych (mean metabolic scope) – zamiast np. w liczbie użytych kalorii. Najpierw określano RMR, czyli ilość energii zużywanej w spoczynku. Następnie całkowitą ilość użytkowanej energii (TEE) podzielono przez tę wartość i uzyskano zakres metaboliczny. Załóżmy, że RMR wyniesie 1600 kcal na dzień. Biorąc udział w wyczerpującym wyścigu, który wymaga użycia przykładowo 4800 kcal dziennie, zakres metaboliczny wyniesie 3,0 (4800 podzielone na 1600). Wskaźnik ten pozwala nam porównać osoby z różnymi wartościami metabolizmu i budowy, dając skalę porównawczą.

Uczestnicy Wyścigu Przez USA podczas pierwszego tygodnia biegu spalali około 6200 (±881) kcal/dzień. Mierzono to określoną techniką, wymagającą podawania uczestnikom wody ze specjalnym izotopem, który pozwalał na oznaczanie go podczas wydalania z moczem. Średni zakres metaboliczny przed rozpoczęciem wyścigu wynosił 1,76 (od 1,59 do 1,92), a w pierwszym tygodniu wzrósł do 3,76 (od 3,08 do 4,13). Później wartości te stopniowo spadały podczas trwania wyścigu, osiągając przez 140 dni średni poziom zakresu metabolicznego równy 3,11 (od 2,86 do 3,28).

Organizm może oczywiście zużywać więcej energii, ale w krótszym czasie. Pontzer i Speakman starają się zrozumieć relację pomiędzy tym, jak utrzymać wysoki poziom zużycia energii porównując to, jak wygląda on w różnych aktywnościach. Aby to określić, przeanalizowali literaturę i porównali różne wysiłki, od biegów na 800 m po ultramaratony, a także kobiety w ciąży i przedstawicieli różnych zawodów. U części opierali się na badaniach, a pozostałe szacowali na podstawie m.in. prędkości.

Poszczególne wyliczenia dały następujące wartości:
– biegacz na 800 m uzyskuje wartość 18,8-krotności swojej RMR,
– podczas maratonu biegacz używa 15,6-krotności RMR,
– triathloniści startujący na dystansie Ironman używają 9,4-krotności RMR,
– ultramaratończycy startujący w Western States 100, pokonujący bieg w średnio 25 godzin używali 8,5-krotności RMR,
– kolarze podczas 23 dni Tour de France używają 4,9-krotności RMR,
– uczestnicy 95-dniowego trekkingu przez Antarktydę używają 3,5-krotności RMR,
– kobiety podczas ciąży używają 2,2-krotności RMR.

Wyniki w formie grafiki prezentują się następująco:

Źródło: Science Advances

Oś pozioma prezentuje dni, jednak są one wyrażone w jednostkach logarytmicznych. Oznacza to, że liczba 0 koresponduje z jednym dniem, 1 koresponduje z 10 dniami, a 2 koresponduje ze 100 dniami. Idąc w przeciwną stronę: liczba -1 koresponduje z jedną dziesiątą dnia itd. Na wykresie oznaczono dwie linie. Niebieska odpowiada standardowym dystansom biegowym od 800 m do maratonu. Czerwona prezentuje dłuższe aktywności, takie jak trekking po Antarktydzie i wielodniowe wyścigi. Szare otwarte punkty odpowiadają za biegi ultra. Fioletowe „iksy” odpowiadają za różne inne pomiary długotrwałego zużycia energii, występujące np. u rolników, strażaków, żołnierzy, alpinistów, żeglarzy i innych.

Krótsze wysiłki są reprezentowane przez niebieską linię. To one są najczęściej rozpatrywane w sporcie i to o nich fizjologowie dyskutują najwięcej. Nachylenie tej linii jest podyktowane m.in. przez VO2max. Czerwona linia jest z kolei determinowana przez coś innego. Jeśli przeniesiemy dane z tego wykresu do regularnej, linearnej skali (zamiast logarytmicznej), wykres będzie wyglądał następująco:

Źródło: Science Advances

Jeśli rozciągniemy wysiłek w czasie, czerwona krzywa będzie się wypłaszczać w okolicach zakresu metabolicznego o wartości 2,5. Chcąc utrzymać zadaną intensywność w nieskończoność, jak sugeruje analiza, należy się upewnić, że nie spalamy więcej niż około 2,5 razy naszej podstawowej przemiany materii. To (zdaniem naukowców) uniwersalny limit odnawialnej wytrzymałości.

Jednak kiedy dokładniej przyjrzymy się grafice, łatwo można dostrzec, że wartość ta jest oparta na dość rozproszonych danych. Druga kropka od prawej (w 140 dniu), pochodzi z danych uzyskanych podczas Wyścigu Przez USA. Kropka na lewo od tej wartości (na zakresie metabolicznym równym 2,4) pokazuje wartość uzyskiwaną przez… ośmiu gambijskich rolników podczas 120-dniowych żniw. Najbardziej oddalona na prawo kropka (w 280 dniu) pochodzi z badań 19 kobiet podczas ciąży i karmienia piersią. Wynika z tego, że wartość 2,5 jest szacowana w dość dużym uproszczeniu.

Zostawiając konkretne liczby, przyjrzyjmy się jeszcze raz wykresowi. Krzywa zakresu metabolicznego opada, jeśli wydłużamy wysiłek. Nie da się utrzymać zakresu metabolicznego o wartości 15 osiąganego podczas biegu maratońskiego przez dłuższy czas. Limit, o którym mówimy (2,5) odnosi się do tygodni, a nawet miesięcy. Krótszy wysiłek jest zależny od innych czynników, takich jak VO2max, ekonomia wysiłku, sprawność poszczególnych układów itd. Granice wytrzymałości będą więc określały głównie wysiłek wielotygodniowy, a nie typowy bieg.

Jednak patrząc globalnie, planując np. obciążenia w ciągu kolejnych tygodni, możemy dostrzec, że „limit dostarczanego pożywienia” i wykorzystania go na energię może być rzeczywiście pomocny. By utrzymać wysoki poziom wykorzystania energii musimy starać się wykorzystywać tej energii coraz więcej. Oczywiście, tak jak trekkerzy z Antarktydy, możemy spalać więcej, ale zaczniemy tracić masę naszego ciała. Część kalorii będzie pochodziła z tłuszczu (i pewnie też z mięśni), zamiast z pożywienia, które dostarczamy. Stroud i Fiennes przeprawiający się przez Antarktydę stracili odpowiednio 21,8 i 24,5 kg podczas swojej wyprawy! Utrzymywanie tak dużego deficytu kalorycznego przez dłuższy czas jest już groźne dla zdrowia. Warto jeszcze dodać, że podczas poszczególnych wysiłków ważna będzie również termoregulacja (ogrzewanie ciała w zimnych warunkach i chłodzenie w gorących). To również będzie istotne przy wykorzystaniu energii.

Pontzer i Speakman nie badali samych wysiłków wytrzymałościowych. Przeanalizowali też na przykład dane z ośmiu artykułów na temat „przejedzenia”. Uczestnicy byli tam zmuszani do przekraczania swoich „limitów obżarstwa”, a niektóre badania trwały nawet 2 miesiące. Odkryto w ten sposób, że limit przyjmowania pokarmów również nie przekraczał granicy 2,5 raza podstawowej przemiany materii RMR. To także cenna informacja.

Typowy poziom RMR u przeciętnego człowieka (w bardzo dużym uproszczeniu) to około 1600 kcal dziennie. Sugerowało by to, że większość z nas nie może przyswoić więcej niż około 4000 kcal dziennie, nawet intensywnie ćwicząc albo dużo jedząc. Kiedy połączymy wszystkie dane (z przejadania się, ciąży, ekstremalnych wyczynów i zawodów sportowych) okaże się, że nasze granice metabolizmu rzeczywiście mogą zamykać się w granicach około 2,5. Przejdźmy teraz do wyjątków, które zaburzają nieco ten obraz.

Jak bowiem podchodzić do takich rewelacji jak przykłady mówiące o 12 000 kcal przyjmowanych dziennie przez Michaela Phelpsa? Albo na przykład Pete’a Kostelnicka, który podczas wspomnianego Wyścigu Przez USA pokonał cały dystans 5000 km w 42 dni w 2016 roku, jedząc (i zużywając) średnio od 9 000 do 14 000 kcal dziennie. Czy da się porównać uzyskiwane przez niego wartości z innymi uczestnikami, którzy ten dystans pokonali w 140 dni? Kluczowe mogą być tu indywidualne właściwości, które predysponują niektórych do przyswajania większej liczby kalorii, a tym samym pomagają im osiągać lepsze wyniki. Pojawia się też pytanie, na ile taką umiejętność da się wytrenować?

Są pewne metody, które pozwalają profesjonalnym zawodnikom przesuwać krzywą metabolizmu na wyższe poziomy. Nie będzie to tylko poziom wytrenowania, ale i strategie żywieniowe. Jak notują Ponzer i Speaksman w swoim artykule, uczestnicy Tour de France i biegacze narciarscy podczas sezonu startowego potrafią utrzymywać wydatek energetyczny na poziomie 3,5 do 5 razy swojej podstawowej przemiany materii przez 3 tygodnie, nie tracąc przy tym swojej masy. Oznacza to, że muszą skutecznie przetwarzać na energię tak dużą ilość pokarmu. Bardzo ważne stają się w tym wypadku odpowiednie strategie żywieniowe. Napoje sportowe (żele, odżywki, batony itd.) są na tyle łatwo trawione, że można w ten sposób dostarczać więcej kalorii. Osoby na najwyższym poziomie mają też pewnie nieco większe możliwości przyswajania znacznej ilości pokarmów albo lepiej tę umiejętność wytrenowały.

Dość ciekawe informacje na ten temat dostarczają badania na temat napoju stworzonego dla osób na diecie ketogenicznej. Jedną z różnic pomiędzy grupą na diecie keto a grupą placebo było to, że pijący napój ketogeniczny przyswajali około 700 kcal więcej w ciągu dnia. Ta dodatkowa energia mogła być kluczowa w uzyskiwanych wynikach, bo grupa ta była w stanie wytrzymać większe obciążenia treningowe niż pozostali. Czy modyfikując w ten sposób jadłospis udałoby się wpłynąć na obciążenia treningowe? To kolejny pomysł, który jest warty rozważenia.

Wracając do pytania postawionego w tytule: Czy odnaleziono już granice ludzkiej wytrzymałości? Układ pokarmowy stawia pewne ograniczenia, to fakt, ale to ciągle jeden z aspektów, który należy brać pod uwagę. Wiele różnych rzeczy ma wpływ na wytrzymałość, a limit 2,5 x RMR (uwzględniając normalne różnice cech biologicznych) nie oznacza ostatecznej wartości dla każdego z nas. Stanowi jednak ciekawy punkt do dyskusji, czy na nasz metabolizm można znacząco wpływać.

Spostrzeżenia te mogą pomóc zawodnikom podejmującym ekstremalne wysiłki, np. kolarzom lub ultramaratończykom w planowaniu strategii żywieniowych, a także przy poznaniu swoich ograniczeń. Również w procesie treningowym może przydać się to w planowaniu odżywiania i treningu – jeśli dokładnie określimy metaboliczne limity naszego ciała i spróbujemy je przesuwać.

Autorzy artykułu sugerują, że przy ekstremalnych wysiłkach znaczenie może mieć np. rozmiar i kształt przewodu pokarmowego. Do tego można by dodać funkcje wątroby, a być może istotna będzie również praca naszego mózgu. Dochodzą też motywacje, bo z pewnością trudno porównywać ambicje gambijskich rolników podczas żniw i kolarzy na Tour de France. Zwykle wiele ograniczeń, które stawia nam życie jest tylko w naszej głowie. Miejmy nadzieję, że zwariowani ludzie, którzy robią tak ekstremalne wyzwania jak bieg przez 5000 km i trekking przez Antarktydę dostarczą nam kolejnych ciekawych danych do dalszych analiz na ten temat…

Źródła:
Extreme events reveal an alimentary limit on sustained maximal human energy expenditure. Caitlin Thurber, Lara R. Dugas, Cara Ocobock, Bryce Carlson, John R. Speakman and Herman Pontzer. Science Advances  05 Jun 2019: Vol. 5, no. 6, DOI: 10.1126/sciadv.aaw0341
Ultimate limit of human endurance found
HVMN – napój ketogeniczny