為什麼有些人天生不怕冷?與運動及耐寒基因 ACTN3 有關

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 10 日 0:00 | 分類 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


運動完後沖個冷水澡能使人快速回復精神,但「冷」對於不同人會有不同的影響,每個人對於寒冷的忍受度可能天生就不同。

氣溫對人的行為表現有強烈影響。在寒冷的狀態下肌肉收縮較慢,需要更長的時間才能完成動作並產生能量。而暖身則可以稍微減緩低溫的影響。

低溫之所以降低行為表現並非單一原因造成,其中一種原因是因為低溫下肌肉細胞產生能量的速率下降,但在這其中包含基因、皮下脂肪、體型等都會影響一個人耐寒的程度。

有些運動員在低溫中更能發揮實力

基因的差異也造成有些人可能天生就比較能在低溫下生存。全球約有五分之一的人肌肉纖維內缺乏 α-輔肌動蛋白 3(α-actinin-3),這種基因變異在人類演化保存下來,也解釋為什麼有些運動員比其他人更能在低溫發揮實力。

人類的骨骼肌由快縮肌纖維(fast twitch fiber)及慢縮肌纖維(slow twitch fiber)兩種纖維組成,但組成的比例不同人不同位置的肌肉各有不同。慢縮肌纖維負責較慢的有氧動作,讓我們能夠垂直站立不倒,下顎不會自然放鬆打開,也讓我們行走慢跑等和緩運動。相反的,快縮肌纖維(fast twitch fiber)負責無氧快速動作,快速收縮但也容易累,提舉重物、跳躍、衝刺等快速運動時運作。

通常一般人體內兩種肌纖維的比例十分接近,但科學家發現頂尖運動員體內可能會出現其中一種肌纖維高達 80% 的情況。爆發型運動員有很高比例的快縮肌纖維,反之耐力型運動員則慢縮肌纖維較多。例如,體型修長的長跑選手體內以慢縮肌纖維為主,肌纖維雖然較小但不容易疲憊,讓他們能保持體力完成長時間奔跑,同樣時間所需的能量也比較低。相反的,美式足球員或曲棍球員體內會有高比例的快縮肌纖維進行快速且強力的運動,但也較容易疲憊。肌纖維的比例是先天決定的,無法透過訓練或運動改變,也就是說,頂尖運動員通常是天生的運動員。

肌肉收縮不只產生動作也快速產生熱量,我們運動時有高達 70%~80% 熱量消耗在產熱。快縮肌纖維收縮顫抖幫助我們對抗低溫,慢縮肌纖維則是平時就會產熱幫助維持體溫恆定。這些肌纖維不只影響肌肉運動功能,也在維持體溫功能扮演重要角色。當環境溫度下降,快縮肌纖維會反覆快速收縮,透過顫抖肌肉產生熱能。每次肌纖維收縮都消耗能量讓身體稍微溫暖,雖然十分耗能但能快速有效使體溫回升。

α-輔肌動蛋白 3 是一種只存在於快縮肌纖維內的蛋白質。α-輔肌動蛋白 3 和 α-輔肌動蛋白 2 是組成肌纖維中 Z 盤(Z-disks)結構的主要分子,當表現 α-輔肌動蛋白 3 的基因 ACTN3 帶有特定變異時,雖然不會直接導致疾病,但會使快縮肌纖維內的 α-輔肌動蛋白 3 表現量較低,而 α- 輔肌動蛋白 2 表現量增加。

過去研究中顯示當肌纖維中 α- 輔肌動蛋白 2 比例較高時,肌肉收縮時較不穩定。此外,先前科學家就已經發現 ACTN3 基因表現影響運動表現,讓運動員能快速爆發力量並影響肌肉回復情形,因此也稱為「速度基因」(gene for speed)。但研究發現,ACTN3 基因的影響力可能不僅止於此。

全球約有 15 億人體內完全沒有 α- 輔肌動蛋白 3,肌肉爆發力較弱,慢縮肌纖維較密集,因此在需要爆發力與肌力的運動項目很難有表現,但卻能在需要耐力的項目脫穎而出。無氧運動比較吃力,但能更有效率運用身體能量。

研究顯示,這種導致 α-輔肌動蛋白 3 缺乏的 ACTN3 基因突變源自於 5 萬年前從非洲遷往歐洲的祖先。或許正是這樣的基因突變讓歐洲人祖先能在寒冷氣候生存,更有效率產生熱能,減少由顫抖生熱消耗大量能量,更有效運用身體能量禦寒,在更冷的環境生存。此外,這種缺乏 α-輔肌動蛋白 3 的基因型,生活於較溫暖區域的人種也較少見。

低溫環境可活化棕色脂肪細胞

另一種影響禦寒能力的因素,體現於脂肪層面。人體脂肪分為白色脂肪細胞與棕色脂肪細胞,棕色脂肪細胞對維持體溫很重要,和慢縮肌纖維一樣能幫助維持體溫。

暴露於低溫環境可活化棕色脂肪細胞,導致體重下降。美國俄亥俄州立大學細胞生物學家 Kristin Stanford 研究團隊認為這或許也是一種改善肥胖問題的方式。此外低溫運動可能讓心臟更健康,增強免疫力並將體內白色脂肪細胞轉變為棕色脂肪細胞。因此寒冷環境安全進行運動可能對健康有益。

雖然低溫可能防止棕色脂肪細胞消耗,降低神經傳導速率及運動表現。但只要做好熱身,身體就能快速暖起來,因此低溫運動還是有不少好處,低溫可幫助身體運動時不需消耗更多資源散熱。但也要注意低溫運動一些風險,低溫運動更容易引發運動性氣喘(exercise-induced asthma)。因冷空氣通常濕度較低,可能因乾空氣引起肺部發炎導致支氣管收縮。

每個人對於冷適應程度不同的原因,包含基因、肌肉組成、脂肪層面等。單 ACTN3 基因一個因素就能讓人們有不同身體組成與反應,養成不同生活型態,導致有些人習慣早起晨泳,有些人卻難以在冷天氣時離開被窩出門慢跑。

(首圖來源:pixabay

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