例えば、直前に行ったアップや食事等が考えられます。しっかりアップを行い体を温め、十分に食事を摂っていれば、高いパフォーマンスを発揮することができます。このような外的な要因以外にも、内的な、生理学的な原因もあることが最近知られてきました。つまり、時間帯により運動パフォーマンスが変動する可能性があるのです。

今回は、時間帯により運動パフォーマンスはどのような影響を受けているのか、どの時間帯に運動パフォーマンスが高まるのかについて紹介していこうと思います。

4種類の時計遺伝子がパフォーマンスに影響を及ぼす？！

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見出しにもある通り、時間帯によるパフォーマンスの変動には時計遺伝子というものが関係してきています。さて、時計遺伝子という言葉は聞きなれないかもしれませんが、一体何なのでしょうか。

「体内時計」という言葉があるように、私たちはお昼や夕食どきになったら、お腹が空いたと感じ、食事をします。夜は決まった時間になったら、眠くなり、眠りに着きます。このような食事や睡眠などの、1日の中でのタイミングを概日リズムと呼んでいますが、この概日リズムを作り出しているのが時計遺伝子なのです。

時計遺伝子の中でも、中心的な役割を果たすものとして、Bmal1、Clock、Per、Cryという4つの遺伝子が挙げられます。Bmal1とClockは2つで1つになり、PerとCryという遺伝子の発現を上昇させます。PerとCryはBmal1とClockに対して抑制的な働きをします。

そのため、Bmal1とClockの働きが強い時間とPerとCryの働きが強い時間が生じます。実は、この強弱の周期が24時間とされており、これにより1日の概日リズムが形成されているのです。Bmal1やClockは、様々な遺伝子に影響を及ぼしており、エネルギー代謝も１日の中で変動することが知られています。

例えば、夜食べると太ると言われていますが、これは夜にBmal1の発現が上昇し、脂肪合成系の酵素活性が高まるからとされています。

ミトコンドリアの能力も時間で変動する？！

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時計遺伝子により影響を受けるのは、エネルギー代謝に留まりません。実は、生体内のエネルギー工場であるミトコンドリアの酸化能力にも影響を及ぼします。実際に、健康で規則正しい生活を送っている人を対象として、1日のミトコンドリアの酸化能力を調べた実験があるのですが、午後1時に最も低くなり、午後11時にピークを示すという結果になりました。

別の実験では、時間帯による運動パフォーマンスの変動を調べているのですが、その実験では、起床してから8時間後にパフォーマンスがピークに達するという結果が得られていました。この結果から、運動パフォーマンスの変化はミトコンドリアの酸化能力が変化することで生じたのではないかと考えられます。

それでは、ミトコンドリアの酸化能力は、一体どうして1日の中で変動したのでしょうか。その原因を探るためミトコンドリアの形態を調べました。

ミトコンドリアは、フレキシブルな器官で、常に他のミトコンドリアとくっついたり分裂したりしています。そしてストレスを受けた部分は、使えないので、ゴミ箱に捨てるように分解されます。こうしたミトコンドリアの融合と分解は、様々な酵素により起こるのですが、この酵素活性が概日リズムを示していることが分かりました。

これらだけでは、確実なことは言えませんが、どうやらミトコンドリアの融合と分解のバランスが変わることがミトコンドリアの酸化能力の変動と関連しているようです。

さらに、CryがPPARδという、脂質代謝に関連するタンパク質の働きを阻害することで、運動中の脂肪の利用を減らすということも報告されています。運動中に脂肪が使えないと、運動中のメインとなるエネルギー源であるグリコーゲンの利用が高まり、すぐにグリコーゲンが枯渇するので長時間の運動を行う際には不利になります。こうしたことも時間による運動パフォーマンスの変動と関連しています。

パフォーマンスのピークの時間も変動する？！

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運動パフォーマンスは時間帯により変動するということは、実験的に示されました。では、寝る時間や起きる時間をズラしたら、パフォーマンスがピークに達する時間帯は変わるのかということを調べるため、ある実験が行われました。

その実験では、早寝早起きするパターン、規則正しく寝起きするパターン、遅寝遅起きするパターンの3パターンでパフォーマンスがどう変動するかを調べました。

その結果、遅寝遅起きするパターンでは規則正しく寝起きするパターンよりもパフォーマンスのピークの時間が後ろになり、逆に、早寝早起きするパターンでは、規則正しく寝起きするパターンよりも、パフォーマンスのピークの時間が前に来ました。

予想できる結果ではありましたが、この結果から寝起きする時間帯を変えることでパフォーマンスのピークを意図的にズラすことができることが分かりました。

とは言っても、寝る時間を操り、パフォーマンスを最大に引き上げるという方法は、今のところ確立されていません。こうした研究結果を応用し、実際に現場で活かすのは、難しいところもありますが、さらに研究が進み、アスリートや一般の選手が取り入れられるような方法が確立される日が来るのが楽しみです。

低糖質高脂肪食 = 「ケトン食」

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体内のエネルギー源として「ケトン体」という物質があります。脂肪は糖質が無いと完全に利用することができません。そのため体内の糖質がなくなってしまうと脂肪を完全に使うことができなくなってしまいます。そんな状態になった時、脂肪はケトン体という物質に変換されます。この物質は筋肉や脳でエネルギー源として使われます。つまりケトン体は、体内の糖質がなくなった時に脂肪から作られるエネルギー源なのです。

ケトン食は、このケトン体を作り出す食事のことを指します。具体的には、糖質をほとんど含まず、60%以上の脂質を含む食事のことを指します。ケトン食のポイントは、糖質をほとんど含まないという点です。糖質が含まれていると、食事をした際に血糖値が上昇します。すると膵臓からインスリンが分泌されます。インスリンには、脂肪の合成を促進する作用があるので、食事に含まれる脂肪は、脂肪組織に取り込まれていきます。そのためケトン体は作られません。また、体内に糖質があるため脂肪を完全に使い切ることができてしまうので、ケトン体が作られません。

一方、ケトン食では、糖質がほとんど含まれていないため、食事をしても血糖値はほとんど上昇せず、インスリンが分泌されません。そのため、食事の脂質は脂肪組織に取り込まれることはなく、エネルギー源として使われます。また、ケトン食では、糖質がほとんどないため脂肪を完全に使えず、ケトン体に変換され、エネルギー源となります。

このような食事を続けていると、運動中にもケトン体を作れるようになり、糖質を使わなくても脂肪を利用できるようになるのです。

ケトン食で脂肪の利用が高まる

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2016年に、ケトン食で、脂肪の利用が、本当に高まるのかを調べた実験が行われました。ケトン食を9ヶ月以上食べた被験者に、一定強度で、3時間ランニングを行ってもらい、その間の糖質の利用量と脂肪の利用量を調べました。すると、普通の食事をしていた人と比べて、ケトン食を食べた人では、脂肪の利用量が1.5〜2倍に増え、糖質の利用量は、半分〜1/3程度に抑えられました。この結果から、ケトン食で脂肪の利用が高まることが示されました。ただ、この実験では、パフォーマンステストを行っていないので、実際にタイムが縮むかどうかまでは分かりませんでした。しかし、ケトン食でグリコーゲンの利用を抑え、タイムが縮む可能性が考えられます。

ウルトラマラソンでは、途中でエイドという食事を提供してくれる場所があります。選手はそこで、おにぎりなどの軽食を食べることができます。食べ物を食べると、消化するために胃や小腸を動かさなければなりません。しかし運動中は、交感神経が活性化しており、また、血液が筋肉に流れていくのでうまく食べ物が消化できず、腹痛を訴えることがあります。

ケトン食を実践し、脂肪を効率よくケトン体へと変換できるようにしていれば、栄養補給の回数も減り、腹痛を感じずに、走ることができます。また、短い時間かもしれませんが、エイドでの食事の時間を減らすことで、食べる時間やエイドに立ち寄る時間を減らすことで、タイムを縮めることができます。ケトン食はウルトラマラソンでは、脂肪の利用を高めることで、グリコーゲンの利用を節約し、栄養補給の回数を減らすことで、タイムを縮める可能性があります。

ケトン食は、最近研究され始めた食事です。今はケトン体を直接食べて、運動パフォーマンスがどう変化するかといった研究も行われています。今後、さらに研究が進み、ケトン食がスポーツに応用できるようになればと思います。

マラソンでは、グリコーゲンの枯渇が疲労をもたらす。

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マラソンは、中強度の速度で、長時間走り続ける競技なので、主要なエネルギー源は、体内に蓄えられた糖質であるグリコーゲンになります。グリコーゲンは、体内に1500kcal程度しか蓄えることができません。

マラソンの後半に生じる「30kmの壁」と呼ばれる疲れは、メインとなるエネルギー源であるグリコーゲンが枯渇することで生じます。そのためマラソンでは、スタート前にどれだけグリコーゲンを蓄えられるかが重要となります。

他に、グリコーゲンを節約するために、エネルギー源として、脂肪を使えるようにトレーニングすることも重要となります。また、走っていると汗をかいて水分が失われていきます。すると、血流が悪くなり、エネルギーをうまく作ることができなくなってしまうので、マラソンでは多量の水分の損失も疲労の原因となります。

チームゲームには、2種類の疲労が存在する。

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マラソンと違い、サッカーやバスケ、ラグビーなどのチームで行う競技には、2種類の疲労があります。一つは、ボールを取りに行ったり相手からボールを奪ったりするために、ダッシュをした後に感じる一時的な疲労です。ダッシュをする際には、クレアチンリン酸という物質を分解することで、瞬発的に、エネルギーを取り出しています。ダッシュを繰り返すと、クレアチンリン酸が枯渇し、瞬発的な力を発揮できなくなるため、疲労を感じます。また、強度の高い運動を行うと筋肉内が酸性へと傾き、エネルギーがうまく作れなくなります。こうしたことも一時的な疲労の原因となっています。

もう一つは、ゲームの後半にかけて感じる進行性の疲労です。サッカーやバスケ、ラグビーといった球技は、途中で休憩を挟んだりするものの、1つの試合で、運動する時間は、合計で1〜2時間となります。これだけ長い時間何度もダッシュを繰り返し、運動を続けていると試合終盤ではグリコーゲンが枯渇し、疲労を感じます。

格闘技では、相手の攻撃も関係する。

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格闘技でも、瞬間的な疲労と進行性の疲労の2種類が存在します。格闘技もパンチ等を連続的に打ち続ける強度の高い運動が何度も繰り返されます。そのため瞬発的な力を発揮するために、クレアチンリン酸がエネルギー源として使われますが、何度も繰り返すことでクレアチンリン酸が枯渇し、瞬発的な力を発揮できなくなります。後半になると、グリコーゲンが枯渇してくるので、エネルギー源がなくなり、力を発揮できなくなっていきます。また、試合の終盤にかけて、筋肉が酸性に傾き、エネルギーがうまく作れなくなることで疲労に繋がります。

この他に、格闘技では、相手の攻撃を受けるということが疲労と関係してきます。相手の攻撃を受けることで、痛みが徐々に蓄積し、うまく体を動かせなくなります。また、痛みを感じることで相手への恐怖心を感じてしまうと精神的に追い詰められ、交感神経系が過剰に反応してしまい、疲労へと繋がります。

こうしたことを考えると、格闘技では、相手にプレッシャーを与え、精神的に追い詰めることも試合に勝つには重要になってきます。また、格闘技では、体重別で試合が行われるため、試合前に減量をしますが、適切な減量ができていないと、筋肉が衰えてしまい、試合結果に影響を及ぼすことがあります。筋肉の分解を抑えつつ体重を落とすことも重要となってきます。

水泳や陸上は、距離により疲労の原因が異なる。

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水泳は、距離が50m、100m、200m、400m、1500m、陸上も距離が、短距離から長距離まで距離がいくつかに分かれています。決まった距離を、全力で走りきる競技では、距離によって疲労の原因が異なってきます。

水泳の50mや陸上の100m、200mといった短距離は、10〜30秒で競技が終了するので、運動中に「しんどい、きつい」と感じることは少ないかもしれませんが、体は確実に疲労しています。スタート時と比べて、ゴール直前では発揮できるパワーは、確実に減少することはよく知られています。これは、瞬発的なエネルギーを作るために、必要なクレアチンリン酸が、枯渇することが原因です。この他に、筋肉が酸性へ傾き、うまくエネルギーを作れなくなることも原因となっています。

水泳の100mや200m、陸上の400mや800mといった中距離は、1〜2分程度全力に近い速度を出す必要があります。こうした競技では、レースの後半では、うまく体を動かせなくなりますが、それは筋肉のカルシウム動態が変化することが、疲労の大きな原因となっています。

筋肉には、筋小胞体という器官があります。脳から筋収縮の命令を受け取ると、筋小胞体がカルシウムを放出し、筋肉を収縮させます。しかし、強度の高い運動を続けているとリン酸が蓄積し、これがカルシウムと結合して、筋肉を収縮させる働きを阻害することで疲労が生じます。この他に、細胞外へカリウムが蓄積することも疲労の原因として挙げられます。筋肉は、細胞内外のナトリウム、カリウム濃度をうまく調節することで、神経からの電気刺激を伝えています。しかし、激しい運動を行うと、細胞外へカリウムが漏れ出し、濃度の調節がうまくいかず、神経からの刺激をうまく伝えることができなくなってしまい、疲労が生じます。

水泳の1500mや陸上の5000m、10000mはある程度高い強度で、20分程度運動を続けなければなりません。こうした運動でも、先に述べたカルシウム動態が、変化することで疲労の原因となります。この他に、運動をする際に、メインで働く筋肉に、酸素が送られることで、脳への酸素供給が少なくなることや筋肉が酸性に傾き、うまくエネルギーが作れなくなることも疲労の原因となっています。もう少し長い時間運動を続ける競技になってくると、試合前のグリコーゲン量の状態も影響してきます。グリコーゲンの貯蓄が少ないと、レースの後半の疲労に繋がってきます。

運動中の疲労の原因を知ることは、スポーツを科学的に捉えたり、今行っているトレーニングを見直したりするのに役に立ちます。また、スポーツを観戦する際にも、科学的な視点から観戦することができます。是非こうした知識を今後のスポーツライフに取り入れてみてください。

「30kmの壁」の原因はグリコーゲンの枯渇が原因だった。

そもそも、なぜ「30kmの壁」が起こるのでしょうか。
私達は、運動をする時、体内に蓄えられたエネルギー源を使い、エネルギーを作り出し、体を動かしています。体内に蓄えられたエネルギー源には、主に二種類あります。一つは脂肪、もう一つはグリコーゲンです。

グリコーゲンは、体内における糖質のことです。糖質を摂取すると、糖質を構成する最小単位であるグルコース(ブドウ糖)に分解され、体内に取り込まれます。体内に入ったグルコースは、グリコーゲンという物質に、形を変えて筋肉や肝臓に蓄えられるのです。これらのエネルギー源には貯蔵量に違いがあります。太った人をイメージすれば、分かる通り、脂肪は体内に無限に貯蔵することができます。一方で、グリコーゲンは貯蔵量に限りがあり、カロリーで示すと、一般的な成人男性で、筋肉に約1500kcal、肝臓に500kcalしか蓄えることができません。

脂肪とグリコーゲンは、使われ方にも違いがあります。グリコーゲンは脂肪とは違い、使いやすいエネルギー源なので、特に強度の高い運動を行う際には優先的に使われます。また、脂肪を完全に使うためにはグリコーゲンも一緒に使わなければならない、という特徴もあります。

グリコーゲンは運動中に使いやすいエネルギー源ですが、貯蔵量に限りがあるということになります。このことが「30kmの壁」という現象を引き起こす原因となっているのです。
つまり、走り続けていると筋肉の中のグリコーゲンが使われるため枯渇し、エネルギーを作り出せなくなってしまっているのです。

長時間の運動では筋肉のグリコーゲンの量が重要

実際に、筋肉のグリコーゲン量と持久的運動パフォーマンスを調べた実験が、1960年代に行われました。その結果、筋肉のグリコーゲン量が多いほど持久的運動パフォーマンスが高かった(一定強度で、長い時間自転車を漕ぎ続けることができた)ことが報告されています。この頃から、長時間運動を行うような競技では、運動前にどれだけグリコーゲンを蓄えることができるかが重要であるという考えが広がりました。そして、どのようにすれば、試合前に筋肉のグリコーゲンを最大限に蓄えることができるのか、ということに焦点を当てた研究が行われるようになりました。
その方法の一つとして、「グリコーゲンローディング」という食事の方法があります。

筋肉のグリコーゲン量を高める食事　〜グリコーゲンローディング〜

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グリコーゲンローディングの方法は、非常に単純です。ズバリ、糖質をたくさん食べることです。ただ、糖質を食べる量や期間を調整しなければいけません。グリコーゲンローディングは、以前は完全にグリコーゲンを使い切ってから、グリコーゲンを蓄えるという方法が行われていましたが、選手への負担が大きく、実践するにはリスクがありました。しかし最近は、その方法を改良し、負担が少なく、かつ効率良くグリコーゲンを蓄えることができる方法が広まっています。

グリコーゲンローディングを開始するのは、試合の1週間前からです。といっても始めはいつもの練習の強度を少なくするだけです。食事はいつも通りの食事で大丈夫です。食事を変えるのは試合の3日前からになります。試合3日前からも運動強度は落としていきます。そして食事から摂取する糖質の割合を増やします。日本人は通常摂取するエネルギーの内60%は糖質から摂取していますが、試合3日前からはエネルギー全体の内、糖質が占める割合を80%程度まで上昇させます。運動強度を落とし、3日間このような食事を摂取することで、少ない負担で筋肉に多くグリコーゲンを蓄えることができます。

朝食には、食べやすいコーンフレークや食パン、あんぱんなど、昼食には、手軽に作れるラーメンやうどん、パスタなどの麺類、夕食には、しっかりと食べられるカツ丼や親子丼などの丼ものがオススメです。間食として、どらやきやクッキーなどのお菓子を食べるとより糖質を摂取することができます。

また、注意点として、グリコーゲンを蓄えるために水分が必要なので、その分体重が1kg程増えることが挙げられます。
マラソンを走るには、それほど影響は大きくないですが、メインのレースの前に一度シミュレーションとしてグリコーゲンローディングを実践しておくことをお勧めします。