本文主要是編譯自 Fox, E. L., Bowers, R. W., and Foss, M. L. (1993).
The Physiological Basis for Exercise and Sport (5th ed.). Dubuque, IA: Wm. C. Brown.
概述
任何的體育活動，都要透過肌肉收縮(muscular contractions) 而得以完成，但肌肉收縮則要在能量[1]（energy）供應充足的情況下，才能夠正常運作，所以能量可說是各項體育活動的基本要素。體育鍛煉可以改善人體內能量的儲備，從而提高運動表現。不過，在編排及製訂訓練計劃的同時，對人體內能量消耗及補充的方式就要有充分的認識了。
食物是肌肉活動所需能量的間接來源[2]，在人體內經過一系列的化學反應後，食物被分解時所釋放的能量，就會被用來製造一種名為三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，簡稱ATP）的高能量化合物，並儲存於肌肉細胞之中，當ATP被分解的時候，就能夠提供能量作肌肉活動之用了。
[1] 能量（energy）在科學上的定義為物體作功的能力，而功（work）則是力（force）和力作用點（point of action）沿力作用線（line of action）所移動距離（distance moved）的積（product）。
[2] 食物在人體內分解時所釋放出的能量，並不能直接應用於肌肉活動上，這些能量必須先用來製造一種名為三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，簡稱ATP）的高能量化合物，並儲存於肌肉細胞之中，只有ATP被分解時所釋放出的能量，才能直接被應用到肌肉活動當中。
ATP與能量
ATP其實是由一個結構非常複雜的腺苷酸（adenosine）部分和三個相對地較為簡單的磷酸鹽（phosphate）小組所構成。當1摩爾[1]（mole）ATP被分解[2]的時候，就能夠產生7至12千卡[3]（kcal）的能量。
可是，ATP在肌肉內的儲存量極為有限[4]，人體全身的肌肉內只有120至180毫摩爾[5]（mM）的ATP，或1.2至1.8千卡的能量，僅足以維持三數秒的盡最大努力活動（all-out efforts）之用。所以，肌肉活動若要繼續進行下去，就得重新合成ATP了。可是，重新合成ATP原來也是要用上能量的。人體內就有三個供能系統，可以供應能量作為重新合成ATP之用。
[1] 1摩爾（mole）是指某一化合物的重量，主要按組成該化合物的原子類別和數量而定。
[2] ATP被分解時，最末端的一個磷酸鹽（phosphate）分子便會脫離母體（ATP），並同時釋放出能量。
[3] 1千卡（kilocalorie，簡稱kcal）相當於把1千克（kg）水升高攝氏1度（°C）所需的熱能。
[4]根據Hultman（1967）及Karlsson（1971），每千克（kg）的肌肉內有4至6毫摩爾（mM）的ATP，若以每1摩爾（mole，等於1000毫摩爾）ATP平均可釋放10千卡（kcal）能量計算，這相當於0.04至0.06千卡的能量。假設一個人的體重為70千克，則全身的肌肉重量約為30千克，所以全身肌肉內ATP的儲存量為120至180毫摩爾，亦即相當於1.2至1.8千卡的能量。
[5] 1毫摩爾（mM）相等於1/1000摩爾（mole）。
供能系統
人體內有三個供能系統，其中兩個可以在沒有氧氣的情況下工作，所以是無氧系統（anaerobic systems）；另一個則要在氧氣充裕的情況下才能正常運作，所以是有氧系統（aerobic system）。
A. 無氧系統
Anaerobic本身是指沒有氧氣的意思，無氧系統（anaerobic system）亦即是能夠在沒有氧氣的情況下重新合成ATP的供能系統。人體內總共有兩個無氧系統，它們分別是三磷酸腺苷－磷酸肌酸系統（ATP-PC system）和乳酸系統（lactic acid system）。
1. ATP-PC系統
ATP-PC系統是一個較為簡單的無氧系統。在人體的肌肉細胞內，其實還儲存著另一種高能量化合物－磷酸肌酸（phosphocreatine，簡稱PC）。當PC被分解[1]的時候，就會釋放出能量，而這些能量就可以用來重新合成ATP。不過，PC在人體內的儲存量也是極為有限[2]，人體全身的肌肉內只有450至510毫摩爾PC，或4.5至5.1千卡的能量，而且要重新合成PC的話，原來也是要用上ATP被分解時所釋放出來的能量，只不過這過程會在運動後人體處於恢復狀態之下才進行。因此，當PC在極高強度肌肉活動（如短跑）中被消耗殆盡時，便要等待運動結束後才可以得到恢復了。
以一個人的體重為70千克計算，全身肌肉的重量約為30千克，肌肉內ATP及PC的總存量為120 + 450 = 570至180 + 510 = 690毫摩爾，亦即相當於5.7至6.9千卡的能量[3]，僅足以維持不到十秒的盡最大努力活動。由此可見，ATP-PC系統所能提供的能量極為有限，但它的重要性並不在於所能夠提供能量的多寡，而在於能夠提供即時的能量作肌肉活動之用。因此，對於那些強度大、速度高，並且只需在數秒間完成的活動，如起跑、跳躍、投擲、舉重等，ATP-PC系統的作用尤為重要。
由於ATP-PC系統並不需要把氧氣輸送到肌肉中才能運作，所需的燃料（ATP及PC）亦早已儲存於肌肉細胞之中，而且當PC被分解時所涉及的化學反應亦較另外兩個供能系統少，所以ATP-PC系統是人體內最迅速的能量來源。
2. 乳酸系統
除了ATP-PC系統外，人體還可以在沒有氧氣的情況下，借助乳酸系統來產生能量供肌肉活動之用。首先要認識到人會把體內的碳水化合物（carbohydrates）先轉化為葡萄糖（glucose），然後供機體使用，或者以肝醣（liver glycogen）及肌醣（muscle glycogen）的形式，分別儲存於肝及肌肉內。
在沒有氧氣的情況之下，乳酸系統會把這些醣元（以上各種糖類的統稱）分解，產生一種名為乳酸（lactic acid）的代謝產物，並同時釋放出能量。由於醣元未能被完全氧化（oxidized），所以乳酸系統在無氧醣酵解（anaerobic glycolysis）的情況下，產生的能量遠比在氧氣充裕的情況下作有氧醣酵解（aerobic glycolysis）來得少。例如，在無氧的情況下，1摩爾或180克（g）醣元理論上可以產生2摩爾或180克乳酸及3摩爾ATP，但在氧氣充足的情況下，同樣是1摩爾的醣元卻可以產生39摩爾的ATP。
不過，由於運動時肌肉及血液只能承擔60至70克的乳酸，之後機體便會出現疲勞的現象[4]，影響正常的肌肉活動，所以在沒有氧氣的情況下，整個乳酸系統實際上只能提供1至1.2摩爾的ATP[5]，即相當於10至12千卡的能量[6]（約為整個ATP-PC系統的2倍）。
正如ATP-PC系統一樣，乳酸系統可以在沒有氧氣的情況下產生ATP，不同之處卻是用上了醣元作為燃料，並且在產生ATP的同時，亦產生了與疲勞有關的代謝產物－乳酸。雖然乳酸系統所能提供的能量也是非常有限，但其重要性也和ATP-PC系統一樣，就是能夠在很短的時間內提供能量作為肌肉活動之用。所以一些需要在1至3分鐘內完成的大強度活動，如400米及800米跑，均非常依賴ATP-PC系統及乳酸系統來提供能量。
[1] 與ATP被分解時的情況相類似，PC被分解時，最末端的一個磷酸鹽（phosphate）分子便會脫離母體（PC），並同時釋放出能量。
[2]根據Hultman（1967）及Karlsson（1971），每千克（kg）的肌肉內有15至17毫摩爾（mM）的PC，若以每1摩爾（mole）PC同樣可釋放10千卡（kcal）能量計算，這相當於0.15至0.17千卡的能量。假設一個人的體重為70千克，則全身的肌肉重量約為30千克，所以全身肌肉內PC的儲存量為450至510毫摩爾，亦即相當於4.5至5.1千卡的能量。
[3] Hultman (1967)及Karlsson (1971)。
[4] 根據Sahlin（1978）及Trivelde與Danforth（1966），當肌肉的乳酸增加時，體液的酸鹼度便越趨下降，因而抑制了一些有助於無氧醣酵解（anaerobic glycolysis）的酵素（enzymes）正常運作，於是亦影響了肌肉的活動能力。
[5] 1摩爾（mole）或180克（g）的醣元（glycogen）在無氧醣酵解（anaerobic glycolysis）下可產生180克乳酸（lactic acid）及3摩爾ATP。因此，當只有60至70克乳酸能夠從醣元在無氧醣酵解下產生時，所能提供的ATP便只有3 ´ 60 ¸ 180 = 1至3 ´ 70 ¸ 180 = 1.2摩爾了。
[6] 若以每1摩爾（mole）ATP平均可釋放10千卡（kcal）能量計算，1至1.2摩爾ATP便相當於10至12千卡的能量了。
B. 有氧系統
在氧氣充足的情況下，1摩爾醣元可以被完全氧化成二氧化碳（CO2）和水（H2O），並產生39摩爾ATP[1]，整個步驟要用上6摩爾，即134.4升（L）的氧氣（O2）[2]。換句話說，在有氧系統運作之下，若以醣元作為燃料，每重新合成1摩爾ATP，人體便要攝取134.4 ¸ 39 = 3.45升的氧氣了。在安靜的時候，這可能要用上10至15分鐘的時間，但從事劇烈運動的時候，則可能只是1分鐘以內的事罷了。
除了醣元之外，有氧系統還可以用脂肪（fats）及蛋白質（proteins）作為燃料來重新合成ATP。就以棕櫚酸（palmitic acid，一種典型的脂肪酸）為例，1摩爾的棕櫚酸（約半磅）經氧化後能夠產生130摩爾ATP。不過要完全氧化1摩爾的棕櫚酸，人體就要攝取23摩爾，即515.2升的氧氣[3]。這也是說，在有氧系統運作之下，若以脂肪（如棕櫚酸）作為燃料，每重新合成1摩爾ATP，人體便要攝取512.2 ¸ 130 = 3.96升的氧氣。因此，有氧系統若以脂肪作為燃料，要產生同量的ATP，便要比用醣元作為燃料時消耗多約15%的氧氣了。
至於蛋白質方面，一般認為除非身體是處於飢荒、醣元消耗殆盡或非比尋常的耐力項目（如歷時數天的超長距離跑）之中，否則蛋白質對提供能量作為肌肉活動的貢獻只是微不足道。在安靜及大部分的體育活動中，醣元和脂肪仍然是主要提供能量以重新合成ATP的燃料。
比較起另外兩個無氧系統來說，有氧系統在ATP的總生產量可說是難以估計，因為無論是醣元、脂肪，甚至是蛋白質均可以用作重新合成ATP。不過單從醣元方面計算，人體全身有肌醣390至450克[4]，肝醣80至100克[5]，再加上5至6克的血糖[6]，人體內醣元的總存量為475至556克，共可產生102.9至120.5摩爾ATP，即相當於1029至1205千卡的能量[7]。
由於有氧系統能夠在大量合成ATP之餘而不會產生導致疲勞的代謝產物，所以是人體處於安靜狀態時供能系統的最佳選擇。此外，對於長時間的耐力性項目（如馬拉松長跑）來說，有氧系統因為能夠用上醣元和脂肪作為燃料，所以亦只有它可以供應充足的能量作這類活動之用[8]。
[1] 正如其他兩個無氧系統一樣，一切有關的化學反應均發生在肌肉細胞之內，但有氧系統涉及的化學反應都要比其他兩個系統來得多和複雜，而且都只發生在肌肉細胞的線粒體（mitochrondria）之中。
[2] 由於1摩爾（mole）的任何氣體在標準溫度及壓力（standard temperature and pressure）之下會佔上了22.4升（L）的體積，所以6摩爾便相當於6 ´ 22.4 = 134.4升的氧氣。
[3] 同樣道理，23摩爾便相當於23 ´ 22.4 = 515.2升的氧氣了。
[4] 根據Hultman（1967），人體每千克（kg）肌肉內有13至15克（g）的肌醣。假設一個人的體重為70千克，則全身的肌肉重量約為30千克，所以肌醣的總量為13 ´ 30 = 390至15 ´ 30 = 450克。
[5] Hultman與Nilsson（1971）。
[6] 陳吉棣（1983）。
[7] 475克醣元可產生475 ¸ 180 ´ 39 = 102.9摩爾（mole）ATP，以1摩爾ATP平均可產生10千卡（kcal）能量計算，即相當於1029千卡的能量。按同樣的計算原則，556克醣元可產生556 ¸ 180 ´ 39 = 120.5摩爾ATP，亦即相當於1205千卡的能量。
[8] 根據Costill與Fox（1969）及Fox與Costill（1972），要跑畢一次馬拉松長跑（比賽距離為42.195千米或26.2英哩）可以用上近150摩爾（mole）的ATP（約每分鐘1摩爾ATP）。
安靜時的能量來源
人體處於安靜狀態時，因為心肺系統能夠供應充足的氧氣給肌肉細胞使用，所以能量主要是由有氧系統提供，而且無論是醣元或脂肪，均可以被用作供能的燃料。在安靜的情況下，約有三分之二的能量是來自脂肪的代謝，另外的三分之一則是來自醣元的有氧醣酵解，而蛋白質的貢獻只是微乎其微。
運動時的能量來源
運動的時候，無氧系統和有氧系統均會供應能量作肌肉活動之用，只不過各個供能系統的重要性會按個別運動項目的種類、運動員的訓練狀態及膳食等方面而有所差異。原則上大部分的運動項目皆可被歸納為兩個類別：（1）時間短而強度大的運動，和（2）時間長而強度較小的運動。當然，還有其他的一些項目是未能歸入這兩個類別之中。
A. 時間短、強度大項目
一切只可以維持2至3分鐘的運動項目，如100米、200米、400米及800米跑等，均可被視為時間短而強度大的項目。由於人體的攝氧能力始終是有上限（見表一），就以100米跑來說，往往便需求到每分鐘近8升的氧氣，單靠有氧系統根本是無法供應足夠能量作這類活動之用。再者，就算人體的攝氧能力可以達到如此的需求，機體仍需要2至3分鐘的時間，以作出各種有關的生物化學及生理上的調整。因為這類時間短而強度大的項目經常要求到機體在氧氣短缺（oxygen deficit）的情況下提供能量作肌肉活動之用，所以無氧系統（包括ATP-PC系統及乳酸系統）是這類項目的主要供能系統。
表一、最大攝氧量比較
對於時間極短而強度非常大的項目而言，ATP-PC系統是主要的無氧供能系統。雖然PC會於很短時間之內下降至非常低的水平，並一直維持於該水平至運動結束為止，不過在運動結束後的數分鐘內，PC便可以完全恢復。
當乳酸系統逐漸取代ATP-PC系統而成為主要的無氧供能系統後，無氧醣酵解的活動迅速活躍起來，隨之而來的也就是同樣急劇的乳酸積聚，這情況特別以2至10分鐘內完成的項目為顯著，乳酸的濃度甚至曾記錄得高出正常情況下（10 mg%[5]）的20倍之多[6]。因此，乳酸濃度也是乳酸系統活躍程度的最佳指標。在PC接近衰竭及乳酸濃度不斷提高的情況下，活動亦只得停止下來或改以較低的強度繼續進行。
[1] Saltin與Astrand（1967）。
[2] Fox，Billings，Bartels，Bason與Mathews（1972）。
[3] Drinkwater（1973）。
[4] Drinkwater，Horvath與Wells（1975）。
[5] 10 mg%是每100毫升（mL）血液內含有10毫克（mg）的意思。
[6] Robinson（1974）。
B. 時間長、強度較小項目
任何可以維持較長時間（10分鐘或以上）的運動項目，都可以被歸納於這個類別之中。有氧系統是這類活動的主要供能系統。20分鐘以內的運動項目主要以醣元作為燃料，脂肪次之。當運動持續下去（如1小時或以上），醣元的儲備明顯下降時，脂肪便會逐漸取而代之成為有氧系統的主要燃料。
對於這類時間長而強度較小的項目來說，ATP-PC系統及乳酸系統只在運動開始的階段，即機體的攝氧量進入穩定狀態（steady state）之前（通常需要2至3分鐘），或運動中途及尾段要作加速或最後衝次時，才會起著積極的作用。因此，雖然血液內的乳酸濃度亦可以相當之高，但通常不及乳酸系統主導時般嚴重。
時間較長的項目如馬拉松長跑（一般需要2.5小時以上），運動員於比賽完結時血液內乳酸的濃度往往只是安靜時（10 mg%）的2至3倍[1]。對於這類運動員來說，導致疲累的原因包括：（1）肝醣耗盡以致血糖濃度下降，（2）肌醣耗盡而出現局部的肌肉疲勞，（3）水分和電解質流失導致體溫上升，及（4）心理上感到沉悶等[2]。
時間更長的項目如步行、哥爾夫球或日常的勞作等，因為單憑ATP-PC系統已足夠應付機體進入穩定狀態前額外的能量需求，所以血液內乳酸的水平一般與安靜時無異，而且疲勞的情況亦得以壓後或甚至不會出現。
[1] Costill與Fox（1969）。
[2] Costill（1974）。
C. 其他項目
除了以上兩個類別的項目外，還有一些運動項目是介乎於兩者之間的，這類項目的特點，就是需要到有氧系統及無氧系統的同時或交替運作。就以1500米及3000米為例，在活動的加速及衝次階段，無氧系統是主要的供能系統。另一方面，在活動的中段或穩定狀態階段，能量則主要由有氧系統供給。其實，不單止是徑賽項目如此，其他的運動項目如游泳、自行車，甚至是球類活動等，都有類似的情況出現。
總結
其實，供能系統的主導地位，主要是根據運動項目實際進行時的速度和時間而定。運動進行時的速度越高，強度通常也越大，能夠維持的時間亦越短。因為機體沒有足夠的氧氣補給，亦沒有充足的時間過渡至穩定狀態，所以能量只有靠無氧系統供給。速度越高，強度越大，ATP-PC系統在提供能量上越加重要。當活動的時間持續，PC接近耗盡的時候，乳酸系統便取而代之成為主導的供能系統。反過來說，耐力性項目或當活動的速度放緩，強度下降，機體得到充分的氧氣補給，並進入穩定狀態後，能量便可以單靠有氧系統來供應。不過當運動的速度或強度再度增加時，無氧系統又會重新投入工作，甚至再次成為主導的供能系統了。
References
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最近更新日期（Last
Updated）：2020-04-18
