瞻云，科普人 阅读原文 人虽然没有对外做功，但你的肌肉一直都在做功。 肌肉如何做功？ 先来看看肌肉的结构： 肌细胞中存在很多肌原纤维，约 1μm 粗细，是骨骼肌的收缩单位。 肌原纤维又分成两个结构： 粗肌丝——肌球蛋白组成 细肌丝——肌动蛋白组成 两种肌丝交叉排列，纵向视角分成「明、H、M、暗」各带。 Z 线之内的整个结构被称为肌节： 不难发现，大量肌节串联成肌原纤维，然后肌原纤维又并联成整个肌肉组织。 注意，这是平面图，从剖面图可以看出，1 跟粗肌丝周围分布着 6 根细丝，又或者说是每 3 根粗肌丝就包裹着一根细肌丝： 通过粗肌丝 + 细肌丝的组成，整根肌原纤维形成了一种特殊的弹性收缩结构： 虽然肌原纤维各个结构都具有弹性，但整根纤维的收缩和舒张主要通过，细肌丝在粗肌丝间滑行而完成。 细肌丝往中间的 M 线滑行，完成收缩动作。 往外部滑行，则完成舒张动作。 肌肉的收缩过程，本质上就是一个生化反应过程： 当神经信号传达到肌细胞，肌细胞的肌质网会释放钙离子到肌节中。 在钙离子的作用下，细肌丝上的肌动蛋白结合位点便会暴露出来。这时，粗肌丝上的肌球蛋白就会通过横桥（肌球蛋白上突出的头部）与肌动蛋白结合。 随后肌球蛋白就会利用 ATP 的能量，发生形变，然后拉动细肌丝滑行。 粗肌丝拉着细肌丝滑行一段距离后，随着 ATP 提供的能量耗尽，肌球蛋白和肌动蛋白会再次分开，然后再继续结合，利用 ATP 中的能量，发生下一次形变。 在不断结合→形变→分开的循环过程中，肌丝之间完成滑动，整个肌肉系统完成舒张或收缩。 所以，活化横桥的数目，决定了整个肌肉力量的大小。 整个肌节的收缩周期 我们知道，当我们提着重物时，宏观上来说，重物的重力和我们肌肉力量是相等的。 但是在的微观上，这个力量却是处在一个动态平衡的状态： 每当粗肌丝消耗 ATP，拉着细肌丝往上发生细微的形变后，在横桥断开的瞬间，外部张力又会把细肌丝拉回原处。如果此时不再提供张力，肌丝就会继续拉长。 所谓要保持原位，横桥又得再次活化，消耗 ATP 拉着细肌丝发生细微形变。 随后又回到原位，如此循环往复。 利用高速透视摄像机，可以拍到肌肉微弱的高频震动。 为什么我们感受不到这个形变过程中呢？因为肌球蛋白小至 160nm，哪怕整个肌节的长度都只有 2~3μm，远远小于我们感知的变化东西。 除此之外，由于肌原纤维是并联关系，当某一根肌原纤维上的横桥去活化时，还有其它的肌原纤维处于活化状态，这也可以弱化震动幅度，使得宏观上看起来位置不变。 例如，在水柱顶球的小实验中，小球相对静止在空中，便是通过水不断产生的冲量维持的。水牺牲掉的动能，其实是用在了小球细微的势能变化上。 肌肉提物耗能，原理其实是相似的。微观上的势能反复变化，最终会完全转化成热能。 总之，为了持续提供提起重物的张力，横桥在反复结合断开的过程中，会不断地消耗 ATP。 肌肉中储存的 ATP 是有限的，很快就会消费干净。不过肌肉中还储存着另外一种高能高能磷酸化合物—— 磷酸肌酸，它提供的能量比 ATP 还稍多一些。 我们知道，ATP 供能之后会脱掉一个磷酸基变成 ADP。 而磷酸肌酸可以向 ADP 提供磷酸基，从而再次形成 ATP，以继续给肌肉供能。 肌肉中磷酸肌酸含量比较丰富，是 ATP 的 3～4 倍，所以可以让肌肉张力维持足够长的时间。 但随着磷酸肌酸殆尽，ATP 供应不足，活化的横桥越来越少，就会逐渐脱力，肌肉会发生不自主的颤抖。当活化横桥数目完全不足支撑时，自然就会彻底脱力，重物掉落在地。 肌肉里的磷酸肌酸和 ATP 都耗尽后，你自然会感到十分劳累。 当处于休息状态，肌肉中磷酸肌酸和 ATP，会通过葡萄糖以及其它营养物质的转化然后恢复。磷酸肌酸的储备，同样由 ATP 来合成。实质上，二者在肌肉中处于一个动态转化的状态。 不难发现，当我们拎着重物赶路时，期间稍微休息和完全不休息，虽然总消耗差异不大，但整个行程的劳累感的差异会十分巨大。 当然，当拎重物的总时间过长时，也会大量消耗人体的总能量储备，从而让整个人体处于重度疲劳状态。 肌肉一用力就释放大量热量，其实反应出来的是动物肌肉系统的低效。 人体运动效率一般在 10%~30%，也就是说运动时肌肉消耗 100 大卡的热量，仅仅只有 30 大卡转化成了动能，多达 70 大卡的能量最终都转化成了热量。 当人处在静息受力的状态时，动能为零，则 100%转化成了热量。 总之，并不是拎着重物需要人体释放热量，而是维持肌肉张力的状态，不得不浪费能量，然后这些能量最终会以热量的形式释放出去。 阅读原文
