（圖片來源：路透社）

2019 年 10 月，Eliud Kipchoge 在 INEOS 1:59 Challenge 如願破二是為跑步歷史上嶄新的一頁，相關的報導與行銷，多數把焦點放在跑鞋上，對於跑鞋設計的相關研究與報導，可謂十分豐富，而跑進 2 小時內需具備怎麼樣的生理條件？

註：Eliud Kipchoge INEOS 1:59 Challenge 的完成時間為 1 小時 59 分 40.2 秒，換算成速度為每秒 5.88 公尺；每 100 公尺 17 秒；配速≒ 2 分 51 秒/公里。

  研究開端

早在 1991 年 2 月，學者 Joyner MJ 曾納入各項生理指標，並透過模型計算、模擬，在假設受試者的攝氧量峰值為 84 ml/kg/min，且乳酸閾值為攝氧量峰值的 85％ 的情況下（意即 71.4 ml/kg/min），全程馬拉松的完賽時間為 1 小時 57 分 58 秒（天時、地利、人和俱足時）。不過研究也表明，理論上的生理條件或許做得到，但是實際上的耐力運動之中有諸多因素是較難以控制的，研究模型需要透過實際測試，再逐步修正後才能趨於完善。

2020 年 11 月，以英國艾希特大學（University of Exeter）的 Andrew Jones 教授為首的研究團隊，與NIKE 運動研究實驗室、美國岡薩加大學（Gonzaga University）共同發表了一篇名為《Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace》的研究論文，旨在探討馬拉松跑進二小時需具備的生理條件。

研究徵募了 16 位世界級長跑運動員（年齡 29±4 歲；身高 1.72±0.04 公尺；體重 58.9±3.3 公斤；半程馬拉松平均成績為 59 分 53 秒，而全程馬拉松平均成績為 2 小時 06 分 53 秒），且於運動科學實驗器裡透過跑步機以及跑道進行比賽配速測試，初始速度從 17km/h（≒3:32/km） ，逐漸遞增至最終速度為 21.1 km/h（≒2:51/km）。

註：這些男性受試者參與了NIKE Breaking 2 Project（BK2）某些部分的測試環節，而最終站上 BK2 起跑線的三位是 Zersenay Tadese（厄利垂亞）、Eliud Kipchoge（肯亞）、Lelisa Desisa（衣索比亞）。

跑步機測試時，所收集的參數包含氧氣消耗量（跑步經濟性之中的攝氧成本）、攝氧量峰值、乳酸閾值（此指第一乳酸閾值）、乳酸轉折點（此指第二乳酸閾值），除了之外，該研究亦進行了跑道測試（室外）、生物力學測試。

其中，跑步機測試屬於 遞增式增加速度（incremental），初始速度從 17km/h，逐漸遞增至最終速度為 21.1 km/h；跑道測試（室外）則是屬於將速度固定在 21.1km/h。在測試的過程中，隨時間的發展，依該強度繪製相對應的圖表。

在遞增式的強度中，身體將逐漸接近極限，我們可以預期的是：

1. 當強度越高，血液之中的乳酸濃度（血乳酸濃度）也會升高，且預期菁英選手在乳酸轉折點（第二乳酸閾值）時，速度可能會接近 20km/h。
2. 在遞增的速度之下，攝氧量占攝氧量峰值的百分比會隨之上升。假設，菁英選手完全精疲力竭是攝氧量峰值的 100% (21.1km/h)；當跑在 17km/h 時，攝氧量可能落在峰值的 70%，當速度提升為 18km/h時，攝氧量可能落在峰值的 80%。
3. 在遞增的速度之下，氧氣消耗量亦隨之提升。

（圖片來源：NIKE）

  全馬破二的生理條件

荷蘭運動科學家 Asker Jeukendrup 教授（運動營養學專業）針對全馬跑進 2 小時歸納出 4 大生理學構面：

• 個人攝氧量峰值
• 乳酸轉折點較高或臨界速度較高
• 能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步
• 較低的氧氣消耗量（跑步經濟性佳）

筆者將順著 Asker Jeukendrup 教授提出的構面，且結合 Andrew Jones 教授團隊的研究成果來敘述。

一、個人攝氧量峰值

該研究 16 位的受試者平均攝氧量峰值為 71 ml/kg/min（如研究圖A），但是範疇從 62~84 ml /kg/min，故推測攝氧量峰值可能不是決定性的影響因素，但並非不重要。

 

研究圖 A

備註：攝氧量峰值（VO2peak）是最大攝氧量（VO2max）的另一種表示方法，它是指受試者接受一次運科測試的過程中，隨著遞增的運動強度，測量氧氣攝取量時所出現的最大值，但不一定是的受試者可以達到的最大值。本文依循研究脈絡，皆以攝氧量峰值表示。

以下第二、三點必須一起探討、解釋。

二、乳酸閾值較高或臨界速度較高

三、能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步

乳酸閾值可再分為 第一乳酸閾值（LT, lactate threshold）與 第二乳酸閾值（乳酸轉折點；LTP, lactate turn-point）。第一乳酸閾值通常是指 有氧閾值（aerobic threshold）或血乳酸濃度約 2 mmol/L（2 毫莫耳/公升）；第二乳酸閾值通常是指 無氧閾值（anaerobic threshold）或血乳酸濃度約 4 mmol/L。

以馬拉松訓練而言，跑者熟悉的門檻跑、節奏跑、乳酸閾值跑、T，是指第二乳酸閾值，在此閾值之下的速度稱為 臨界速度（CV, critical velocity） ，當超過此臨界點，會感到非常辛苦，速度將難以維持穩定的狀態。

引述學者 Jan Olbrecht 博士針對第二乳酸閾值之下的速度圖可知（如下圖），休閒跑者（藍線）與 世界級馬拉松的冠軍選手（黑線），其臨界速度分別約為 4.1 m/s 與 6 m/s，換成時速約莫為 14.76 km/h（≒ 4:04/km）與 21.6 km/h（≒ 2:47/km），其中休閒跑者接近於四分速，世界級馬拉松的冠軍選手則接近本文探討該研究的實驗速度 21.1 km/h（≒ 2:51/km），換句話說，對休閒跑者而言，跑在四分速的速度可能無法維持太久。

 

Jan Olbrecht 談第二乳酸閾值與臨界速度

（圖片來源：lactate.com）

註：乳酸閾值可參考本站許文彥醫師所撰之【跑步訓練】乳酸閾值到底是什麼？或本專欄之《跑者不能不知的 LTHR 乳酸閾值心率》，有概略性地介紹。

回到本文探討的研究論文，經過實測後，16 位受試者的第一乳酸閾值與第二乳酸閾值之下的血乳酸濃度分別為 2.2±0.8mmol/L 與 4.6±1.3mmol/L（如研究圖C），代表受試者相較於前述的血乳酸濃度更高（第一：2mmol/L；第二：4mmol/L），而且其第一乳酸閾值與第二乳酸閾值之下的跑步速度分別為 18.9 km/h 與 20.2 km/h，根據前述休閒跑者在第二乳酸閾值的臨界速度（約莫四分速；接近15 km/h），這些菁英選手們跑在相同速度之下，都還摸不到第一乳酸閾值，更殘酷的是研究的起始速度是17km/h。 

研究圖C

再者，受試者能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步，代表其大部分時間都還是使用有氧能量系統（Oxidative System），且實驗所測得之第一乳酸閾值和第二乳酸閾值（乳酸轉折點）分別發生在18.9 km/h 與 20.2 km/h，分別對應到 83% 與 92% 的攝氧量峰值（如研究圖B），第二乳酸閾值為 92％ 攝氧量峰值，代表其有氧能力的天花板很高，因此可以持續利用有氧系統供給身體能量並維持跑步。

 研究圖B

四、較低的氧氣消耗量（跑步經濟性佳）

氧氣消耗量（攝氧成本）是指跑在特定的速度之下所需的氧氣量。假設跑者 A 與 B 都可以用每公里 4 分整的速度奔跑，但 A 消耗的氧氣量更少（節能的概念），那麼 A 的跑步經濟性會高於 B。

該研究特別提到有 7 名受試者在跑道（室外）以 21.1 km/h（≒ 2:51/km）的速度跑步時能夠維持穩定狀態的氧氣消耗量約為攝氧量峰值的 94 ± 3 %，而其他 9 位受試者以 21.1 km/h 的速度跑步時的攝氧量無法維持在穩定狀態，其氧氣消耗量為攝氧量峰值的 97 ± 9 %。（穩定維持的 7 人相較於無法穩定維持的 9 人，在平均數與標準差較小）

註：所有受試者都是穿著薄底競賽跑鞋（俗稱 racing flat）進行測試

Eliud Kipchoge 與 Andrew Jones 教授（該研究第一作者）

（圖片來源：University of Exeter）

研究綜整：對比 1991 年的模型模擬，乳酸閾值為攝氧量峰值的 85% 的情況下（意即71.4 ml/kg/min），全程馬拉松的完賽時間為 1 小時 57 分 58 秒。2020 年 11 月的研究，16 位受試者以 21.1 km/h（≒ 2:51/km）的速度跑步時的平均氧氣消耗量為 191 ml/kg/km，在此狀態下跑步，每分鐘需要消耗將近 4 公升的氧氣，意即 94% 的攝氧量峰值，若以所有受試者平均體重約 59 公斤來說，全馬跑進二小時需維持約每分鐘 4 公升的氧氣消耗量或約 67 ml/kg/min 的攝氧量。 

註：67 ml/kg/min是測試後得出可以達到破二的水準，而模型模擬的人類極限是 71 ml/kg/min 。

  文末補充運動生物力學（Sports Biomechanics）相關指標：

因研究著重探討運動生理學相關的參數，在運動生物力學方面敘述的篇幅相形之下較少，故在此列舉出跑者較常探討的運動生物力學參數供讀者們參考：

運動生物力學參數	平均數±標準差
觸地時間	160±10毫秒
垂直力峰值	2.92±0.26倍體重
垂直震幅	4±0.6公分
步幅長（Stride Length）	174±6公分
相對步幅長度（身高百分比）	100.4±3.6%

註：步幅長並不是步長，相關人體步態介紹，可參考本專欄《人體走路步態大解析》與《跑步人體步態分析》。

從步幅長對比身高來看，受試者跑在 21.1km/h（≒ 2:51/km）的速度時，平均步幅長 174 公分已經超越了平均身高，然而垂直震幅僅有 4 公分，代表身體質心（center of mass, COM）垂直方向的位移很小，而水平位移很大。

最後，筆者認為該研究的價值在於：

1. 該實驗設計對於跑步研究具有革命性的影響，且將 1991 年的研究模型實際體現出來 （實現破二）。
2. 徵募世界級的長跑選手，受試者具有獨特的代表性，畢竟一般跑者很難跑在該研究嚴苛的速度條件之下，讀者亦能一窺世界級的長跑選手優秀的秘密。
3. 除了實驗室測試外，亦在室外跑道測試頂尖選手的生理指標，因室外環境的干擾因素較多，收集數據非常不容易。

  後記：

原始研究論文《Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace》僅有研究摘要置於學術網路，筆者自費購買全文閱讀（共42頁），並自行彙整後撰寫本文。

（圖片來源：筆者）

 

  參考文獻：

• [1] Joyner MJ. Modeling: optimal marathon performance on the basis of physiological factors. J Appl Physiol (1985). 1991 Feb;70(2):683-7. doi:10.1152/jappl.1991.70.2.683. PMID: 2022559.
• [2] Jones, A. M., Kirby, B. S., Clark, I. E., Rice, H. M., Fulkerson, E., Wylie, L. J., Wilkerson, D. P., Vanhatalo, A., & Wilkins, B. W. (2020). Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace. Journal of applied physiology, 10.1152/japplphysiol.00647.2020. Advance online publication. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00647.2020

??延伸閱讀： [1]《跑鞋各項結構對長跑表現的影響有多少？》 [2]《跑鞋置入碳纖維板就能提升跑步經濟性嗎？》 [3]《加入碳纖維板的跑鞋「可能不會」改善跑步經濟性！》 [4]《跑鞋彈性的革新與改變：仿赤足鞋與競速鞋的碰撞》 [5]《厚底跑鞋鞋頭上揚對前足順暢性的影響》

作者：小智
責任編輯：Joanna

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