晚上睡不著,白天卻嗜睡?「運動」是你最簡單便宜的調整方式

晚上睡不著,白天卻嗜睡?「運動」是你最簡單便宜的調整方式
Photo Credit: AP IMAGES/達志影像

我們想讓你知道的是

如果想要秀肌肉,讓女生印象深刻,傍晚會是你最佳的時機。如果只能白天運動,那延長熱身時間能夠讓你的表現得更好。如果因為年紀或是時差睡不好,運動是最便宜也最簡單的方式做第一步的調整。

不論是蘇格拉底的「身體的健康因靜止不動而破壞,因運動練習而長期保持」、亞里斯多德的「生命需要運動」、華佗的「動也,形氣亦動;不動,積滯氣鬱。」、呂不韋的「流水不腐,戶樞不蠹,動也」,中西文化裡,古人早就明白運動的好處。而這篇文章也不會老生常談運動的重要性,而是要說說生理時鐘與運動之間的科學。

日常生活上不難找出生理時鐘對我們的影響,當我們的生活作息與生理時鐘的運作不一致時,有些不好的後果就會隨之而來:比如說若是在大腦生理時鐘認為該睡覺的時間進食,即使不是高脂肪的食物也會帶來體重增加、胰島素抗性提高等負面的結果,而且除了在代謝系統上的干擾之外,對於我們的學習與記憶的能力也有不好的影響(註1)。生理時鐘與運動的表現也有相關性,包括有氧運動、無氧運動或是總歸性的運動技巧/能力(gross motor skills),都有日與夜之間的表現差異。

傍晚是一天當中,肌肉力量表現最好的時刻

大多數的研究報告支持傍晚(late afternoon or early evening,約晚上5-8點的時間)的運動表現會比早上來得好。以一篇2007年的研究報告為例:研究員讓平均年齡為22歲、體重平均為68公斤的大學生,在白天與傍晚時進行高強度的運動能力測驗(圖1上),並測量學生的耗氧量、最大肌力、平均肌力與疲勞指數(圖1下表格)。這個研究結果指出,這些受試的大學生們,在晚上的時候力量較大且肌肉不容易疲勞。

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圖片改自Souissi et al. 2009 DOI: 10.1080/07420520701535811
圖1 傍晚與晚上的運動表現有所不同。圖1.上方是該測試項目(wingate test)的示意圖,並不是該團隊的實際的測驗照片。圖片修改自此。圖一下方是該團隊的研究報告結果。圖片改自Souissi et al. 2009 DOI: 10.1080/07420520701535811

在圖2,我們可以見到更多的例子:傍晚5-7點時的運動表現是一天當中最好的時刻。不過請注意,下圖的例子的研究對象年齡為19~36歲,而且試驗對象多為男性。也就是說,這個結論僅限適用於男性的青少年或青年。對於較幼小或年長的族群,以及性別以女性為主的探討,我們需要有更多兩性平衡的研究。

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圖片改自Souissi (2012). J Strength Cond Res, 26, p.1984–2005.
圖2 多數的研究報告支持傍晚的運動表現會比早上來得好。圖片改自Souissi(2012). J Strength Cond Res,26,p.1984–2005.

這一致的調查結果令人好奇:為什麼是傍晚?早期研究的科學家們注意到,這個時間剛好是人體的核心體溫最高的時段,所以他們開始針對體溫對於運動表現的影響展開了調查。

有些結果指向體溫高與更有效率的使用肝醣作為肌肉運動的燃料有關,或是能夠加速肌肉收縮的機制(actin-myosin cross bridge mechanics,註2)。個人覺得相當有趣的實驗則是在2011年的一份研究報告(Taylor et al 2011)。這個團隊的理論是,如果體溫是影響肌肉表現的因素,而白天的體溫會因為生理時鐘的調控而比傍晚低,那若是延長熱身的時間,將體溫提高減少與傍晚體溫的差異,則白天的肌肉表現也能與傍晚一樣好。他們的實驗結果支持他們的理論,而且也有其他團隊有著類似的結果,不過後來也有團隊指出,即使延長熱身時間能夠縮短日與夜之間的差異,傍晚還是有著較好的表現結果。

除了體溫以外,也有研究團隊指出鈣離子在肌肉中的調控也受到生理時鐘的影響,因此也可能是為什麼傍晚的肌肉表現能力較好的原因之一。鈣離子是肌肉收縮不可或缺的成員之一。研究報告指出,傍晚時肌肉中的肌質網(sarcoplasmic reticulum)能釋放較多的鈣離子,而且肌肉纖維對鈣離子的敏感度提高,肌凝蛋白的水解效率提高(myosin ATPase activity)。

體溫與肌肉細胞的收縮機制,都可能受到生理時鐘的影響,而讓我們在傍晚時有較強壯的肌肉力量。

長期運動的效益也有日與夜的差異

我們來探索另一個層面的問題:如果是長期運動(long-term exercise),是否晚上運動與白天運動所帶來的效益(如肌肉力量的進步或是對心血管的益處)會有所不同?

科學家的確是發現了日與夜之間的差異,但不像針對一天當中肌力表現最好的調查有一致的結果。針對長期運動所帶來的益處的調查,究竟是白天比較好還是晚上比較好,卻是爭論不休,目前尚沒有定論。

這並不讓人太意外,畢竟以人為對象的長期調查,有許多因素是很難控制的。比如說,這個人是夜晚型的貓頭鷹或是早起型的百靈鳥(註3),或是試驗對象的心理素質等等都是可以預期的變因。儘管沒有定論,許多研究支持白天訓練的有氧運動所帶來的好處(如體重控制、心血管功能)會比晚上大。阻力訓練(resistance training)的結果則是支持白天訓練與支持晚上訓練的支持率差不多,難分軒輊。

讓我們能夠運動的肌肉中,也有生理時鐘的蹤跡

生理時鐘無所不在,我們的肌肉細胞中也能看到生理時鐘的影響。由於生理時鐘對於心血管系統的調控已經在之前的文章介紹過了,接下來的段落將以骨骼肌(肌肉的兩端附著在骨骼上,讓我們能夠運動的肌肉)作為介紹的對象。

骨骼肌是我們能透過自己的意志而收縮的肌肉(比如說大家重量訓練最喜歡的二頭肌)。當大腦下達命令後,命令經由神經系統傳遞至骨骼肌,使其收縮;而在肌肉收縮時,是以關節為支點來拉動骨骼,進而完成大腦的運動命令。若是針對肌肉的類型再細分,又可以粗略分為能快速收縮的快肌與收縮速度慢的慢肌。一般來說快肌收縮快且力量強,而慢肌則是耐性較好。我們的肌肉通常是由快肌與慢肌共同組成,但是組成的比例會有所不同:擅長強度大但時間短的運動(如短跑、舉重)的人,肌肉中含有的快肌比例會比較高;相反的,擅長時間長的肌耐力項目(如馬拉松)的人,肌肉中所含的慢肌會比較高。

在過去的15年中,科學家透過實驗鼠發現骨骼肌的基因活動有著日與夜的差異,證實骨骼肌也有生理時鐘的機制。意外的是,快肌與慢肌所擁有的具有節律性活動的基因數目不同:快肌有684個基因有著日夜節律,然而慢肌卻有1,359個基因有著日與夜的活動變化。在這些有日夜節律變化的基因中,不少基因與肌肉細胞的生長與功能有關;如Myod1(肌肉細胞生長),Ucp3(肌肉細胞利用脂肪的能力),Atrogin1(蛋白質代謝),Myh1(肌肉纖維結構)等都是很好的例子。生理時鐘的基因也在實驗鼠的骨骼肌肉中被找到了。

而之後的研究更發現,運動不僅能夠影響骨骼肌中的生理時鐘基因的活動,甚至當環境失去光亮與黑暗交替的時間訊號時,運動可以保持大腦的生理時鐘總司令SCN的規律活動。骨骼肌的生理時鐘也在人類的肌肉組織中被證實:生理時鐘基因Per1Per2、Cry1在人類的骨骼肌中,於早上8點與晚上8點時的活躍程度不同,而且阻力運動能夠影響這些時鐘基因的表現(Zambon et al 2003)。

但是問題來了,骨骼肌肉中發現生理時鐘基因,就能代表生理時鐘對骨骼肌肉細胞的功能有影響嗎?要回答這個問題,一個直覺的方式就是干擾骨骼肌肉細胞內的生理時鐘,然後評估是否骨骼肌的功能會因此被改變。科學家做了實驗後發現,當骨骼肌肉細胞內的生理時鐘被破壞時,骨骼肌會受到相當程度的影響:若研究員突變其中一個生理時鍾基因時(如ClockBmal1,Rev-Erbα),實驗鼠的肌肉細胞內的細胞工廠(粒線體)的體積會變小,肌纖維的結構也變得不正常,實驗鼠的最大肌力也因為生理時鐘的破壞而降低。

讓我們能夠運動的骨骼肌,不僅有許許多多基因有著日與夜的波動,而且生理時鐘基因的活動與骨骼肌的生長與功能息息相關。

用運動讓你有更好的睡眠-清醒周期吧!

運動除了我們都已經熟悉的對於代謝與心血管的好處之外,也可以作為調整大腦生理時鐘的方法之一,加速適應時差或夜班時間的能力。

以一篇2009的日本研究為例,當研究員將實驗室的環境模擬時差的變化時(如往西邊飛8小時的航班),有運動的受測者比沒有運動的受測者能更快調整自己的睡眠作息(Yamanaka et al 2009)。在動物實驗上,除了支持前述的加速調整生理時鐘的能力之外,研究員甚至發現,當環境失去光亮與黑暗交替的時間訊號時,運動可以保持生理時鐘的規律活動。也就是說,當實驗鼠從平常的12時光亮與12小時黑暗的環境,轉為24小時全光亮的環境的時候,籠子內有輪子可以讓實驗鼠運動的組別,仍然能夠維持生理時鐘的周期性活動;相反的,籠子內沒有輪子可以運動的組別,一但當環境轉為24小時全光亮的條件時,他們的生理時鐘很快就失去了周期性活動(arrhythmic)(Lax et al 1998)。

有趣的是,運動調整大腦生理時鐘的結果,會因為運動的時間不同而有所差異。平均而言,夜晚運動與白天的運動會將我們的大腦的生理時鐘往後撥;也就是說,平常晚上11點想睡覺的作息,可能會延遲到更晚的時間才會想睡;而且晚上運動的影響比白天運動的影響還要大。舉例來說,平常11點想睡的人,會因為白天的運動可能延遲到晚上11點半才會去睡;但如果是晚上9點運動,可能會延遲到凌晨1點才會去睡。相反的,在下午運動對睡眠時間的影響相對比較小,甚至在傍晚運動時反而會把生理時鐘往前撥。舉例來說,平常11點想睡的人,如果晚上6點運動的話,那想睡的時間可能會提早到晚上10點半。

請注意,科學家是以褪黑激素開始分泌的時間,作為評估生理時鐘被往前或往後調整的依據,所以疲勞本身並不能解釋褪黑激素的變化。你可能已經注意到例子中的時間差異都是半小時到1小時之間。是的,雖然運動對於生理時鐘的調整會隨運動強度與運動時間的長短而有所不同,但是運動對於生理時鐘的的調整幅度,在目前的研究報告中,很少看到超過2小時的效果。

運動對於生理時鐘的好處也能應用在年長者上。長時間(比如說3個月Someren et al. 1997)的運動習慣,能夠改善年長者的睡眠-清醒周期,減少晚上睡睡醒醒與白天嗜睡的情況。睡眠時間的改變與睡眠品質的下降,是最容易察覺老化對我們的影響之一。對於許多年長者而言,與年輕時相比,睡眠的時間相對提早,而且變得片斷化。

根據2007年的一篇研究報告(Roenneberg et al. 2007),80歲時的平均就寢時間比20歲時提早了兩個小時。舉例來說,年輕時習慣十一點就寢的人,年長時可能九點就想上床睡覺了。除了時間的提早之外,年長者的睡眠的深度也會變淺,容易因為受到聽覺上的刺激而醒;晚上的睡眠也變得片片斷斷地,睡睡醒醒。由於晚上的睡眠品質不好,白天也比較容易疲憊,而有嗜睡的情況。

這些睡眠時間與睡眠品質的變化,與老化帶給大腦的影響有關。當我們年長時,大腦中的生理時鐘也老舊了,沒有辦法在正確的時間發出足夠強度的指令,以至於讓年長者的睡眠時間、褪黑激素、體溫等生理指標在年老時失去原有的節律。幸運地是,在實驗鼠上的研究結果指出,運動能夠讓年老的大腦生理時鐘在正確的時間發出足夠強度的指令,而這可能正是運動如何改善年長者的睡眠問題的機制之一(圖3)。

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圖片改自Leise et al. 2013. DOI: https://doi.org/10.1007/s11357-012-9502-y
圖3. 運動能夠幫助大腦的生理時鐘總司令,在正確的時間給出強度足夠的命令,因此改善睡眠-清醒周期。圖片改自Leise et al. 2013.

晚上睡不好而且白天嗜睡嗎?也許運動是最簡單的改善方法喔!

結語

這次的文章從生理時鐘的角度出發,介紹了運動與生理時鐘之間的互相影響:生理時鐘可能透過體溫或是肌肉收縮機制的調整,讓運動的表現有日與夜的差異;而當大腦的生理時鐘總司令變得虛弱時,運動能推生理時鐘一把,改善睡眠-清醒周期。

知道生理時鐘的故事後,我們可以怎麼做?如果想要秀肌肉,讓女生印象深刻,傍晚會是你最佳的時機。如果只能白天運動,那延長熱身時間能夠讓你的表現得更好。如果因為年紀或是時差睡不好,運動是最便宜也最簡單的方式做第一步的調整喔!

註釋

註1. 關於生理時鐘與飲食之間的關係可以參考之前的文章吃飯的時間很重要:「進食」,你身體的第二套時鐘重設系統;關於宵夜對於學習與記憶的負面影響的介紹可以參考之前的文章宵夜就跟孟婆湯一樣,容易讓人記不住K書的內容

註2. actin-myosin cross bridge mechanics是肌肉之所以能夠收縮的機制。肌肉細胞內不同的蛋白質、離子通道、肌質網與鈣離子都參與了肌肉收縮的過程。如果有興趣更深入的了解,可以參考以下影片:

註3. 關於生理時鐘的類型「夜晚的貓頭鷹」還是「早起的百靈鳥」可以參考之前的文章:從一個洞穴實驗開始的生理時鐘故事

參考資料

本文經王輝斌授權刊登

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航