運動時人體能量系統有哪些？ 快速搞懂運動三大能量系統！

當我們進行任何運動時，體內的能量來源並非單一，而是由三大能量系統：ATP-PC系統、乳酸系統與有氧系統互相配合運作，每種能量系統根據運動的強度與持續時間發揮不同的主導角色，瞭解這些系統的作用機制與彼此間的協調關係，不僅有助於提升運動表現與訓練效率，更是運動安全與健康促進的重要基礎！

人體運動時如何產生能量？

人體運行包括運動在內的所有活動都需要能量，而能量來源於三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, ATP），ATP是細胞可以直接利用的能量物質，主要由碳水化合物和脂肪產生，偶爾也可由蛋白質產生，肌肉細胞內儲存的ATP非常有限，僅能維持短時間（約2-3秒）的高強度活動。為了持續運動，人體有三種主要的能量系統來補充ATP：





人體主要透過三個代謝路徑來產生ATP，分別是兩個無氧系統：ATP-PC系統 (ATP-PC system)、乳酸系統(Lactic Acid System)，以及一個有氧系統(Aerobic System)。
 

磷酸原系統（Phosphagen System）/ ATP-PC系統（ATP-PC system）/ 無乳酸系統

• 運作方式：這是最快速產生 ATP 的方式，利用儲存在肌肉細胞中的磷酸肌酸 (Phosphocreatine, PC)分解為磷酸及肌酸並釋放出能量，釋放出的能量可促使二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate, ADP）及磷酸根重新合成ATP。

• 特性：能量供應速度最快，能在短時間內提供爆發性的能量，總供應能量少，持續時間短（約 8-10 秒），不需要氧氣參與，不產生乳酸。

• 主要應用： 短時間、爆發性、高強度運動，如百米短跑衝刺、跳高、舉重、足球前鋒的瞬間快速衝刺。

註：爆發力(Power)是在短時間內產生最大力量的能力，與 ATP-PC 系統的功能密切相關。

ATP在人體內的作用是什麼？為什麼它被稱為「生命的能量貨幣」？

三磷酸腺苷（ATP）是人體細胞主要的能量形式，就像貨幣是經濟活動的交換媒介一樣，ATP是細胞內能量轉換和利用的通用媒介，因此被稱為「生命的能量貨幣」。ATP儲存了化學能，當細胞需要能量進行各種生理活動時，例如肌肉收縮、神經傳導、物質運輸和合成代謝等，ATP會分解成二磷酸腺苷（ADP）和一個磷酸基團，並釋放出能量供細胞使用，由於ATP是肌肉可以直接利用的唯一能量來源，沒有ATP，肌肉就無法收縮，身體也就無法運動。因此，維持ATP的持續供應對於生命至關重要。
ATP＝ADP + 磷酸基團 + 能量

什麼是磷酸肌酸（PC）？它在ATP-PC系統中扮演什麼角色？

磷酸肌酸（Phosphocreatine, PC）是一種高能磷酸化合物，儲存在肌肉細胞中，在ATP-PC系統中，當肌肉細胞內的ATP被分解釋放能量後，PC會迅速將其磷酸基團轉移給ADP，重新合成ATP，這個過程由肌酸激酶（Creatine Kinase）催化。PC的作用就像一個快速的ATP儲備庫，可以在短時間內迅速補充ATP，以應付高強度的爆發性運動。然而，PC在肌肉中的儲存量也有限，因此ATP-PC系統提供的能量只能維持短暫的時間。

乳酸系統（Lactic Acid System）/ 無氧糖解系統 （Anaerobic glycolysis system）

• 運作方式： 在無氧情況下，分解儲存在肌肉中的碳水化合物（葡萄糖或肝醣）產生能量並重新合成 ATP，同時產生副產物乳酸。

• 特性：能量供應速度較 ATP-PC 慢但比有氧系統快，可維持約1-3分鐘的高強度運動，不需要氧氣，產生的副產物為乳酸，乳酸累積超過身體能承受範圍時可能導致肌肉疲勞。

• 主要應用：持續時間較長的高強度運動，如 400 公尺徑賽、籃球和足球比賽中的高強度跑動、間歇性運動。

乳酸是如何產生的？它對運動表現有什麼影響？

乳酸是在無氧糖解過程中產生的。當運動強度較高，氧氣供應不足時，肌肉細胞會將葡萄糖（肝醣）分解為丙酮酸，然後丙酮酸會進一步轉化為乳酸。這個過程可以在沒有氧氣的情況下快速產生ATP，但效率不如有氧代謝。

乳酸的累積與運動引起的肌肉疲勞感有關，過去認為乳酸是導致肌肉疲勞和痠痛的直接原因，但近年來的研究表明，乳酸本身可能不是主要的罪魁禍首。乳酸的分解會導致氫離子濃度升高，使肌肉環境的酸度增加，這可能會干擾肌肉的收縮功能，導致疲勞。然而，身體可以代謝乳酸並將其轉化為能量或其他物質。經過訓練的人，身體清除乳酸的能力會更強，更能耐受高強度的無氧運動。
註：肝醣 (Glycogen): 葡萄糖在動物體內的主要儲存形式，儲存在肌肉和肝臟中。

有氧系統（Oxidative System）/ 有氧糖解系統（Aerobic glycolysis system）

• 運作方式：在氧氣充足的情況下，將碳水化合物、脂肪甚至蛋白質完全分解成二氧化碳和水，產生大量 ATP，這個過程在肌肉細胞的線粒體中進行，需要較長的時間才能開始產生能量（約 60-80 秒）。

• 特性：能量供應速度最慢，但總供應能量幾乎無限（主要依賴儲存的碳水化合物和脂肪），需要氧氣，代謝產物是二氧化碳和水，不產生乳酸，是持續長時間運動(超過1分鐘至數小時)的主要能量來源。

• 主要應用：長時間、低至中等強度的耐力運動，如馬拉松、長泳、慢跑、騎自行車、快走、足球運動中的恢復和持續跑動。

註：耐力（Endurance）：持續進行運動的能力，主要取決於有氧系統的功能。

有氧系統如何利用碳水化合物和脂肪產生能量？在不同運動強度下，能量來源的比例有什麼不同？

有氧系統在氧氣充足的情況下，可以利用碳水化合物（葡萄糖和肝醣）和脂肪酸作為燃料來產生ATP。這些燃料經過一系列複雜的代謝過程（如檸檬酸循環和電子傳遞鏈）在細胞的線粒體中被徹底氧化分解，產生大量的ATP、二氧化碳和水。
註：線粒體(Mitochondria): 細胞內的胞器，是有氧代謝的主要場所，被稱為「細胞的發電廠」。

運動三大能量系統的協調作用與連續性（Energy Continuum）

幾乎沒有任何運動只單純使用某一個能量系統，大多數運動都是三個系統共同作用，只是比例有所不同，並隨著運動強度和持續時間的變化而動態調整，能量連續性的概念強調了在運動過程中能量系統的逐步轉換及共同作用，而非突然的切換。

運動強度、持續時間與三大能量系統的關係

運動時主要使用的能量系統取決於運動的強度和持續時間。

• 高強度、短時間的運動主要依賴 ATP-PC 系統。

• 高強度、持續時間稍長的運動（約1分鐘）主要依賴乳酸系統。

• 低至中等強度、長時間的運動主要依賴有氧系統。

除了運動強度和持續時間，還有哪些因素會影響運動時主要使用的能量系統？

除了運動的強度和持續時間，以下因素也會影響運動時主要使用的能量系統：

• 個體的體能素質：具有較高有氧能力（Aerobic Capacity）的人，在進行相同強度的運動時，更傾向於依賴有氧系統供能，達到無氧閾值的時間也會更長。這意味著他們可以更長時間地維持較高的運動強度而不依賴無氧系統；無氧能力（Anaerobic Capacity）較好的人，則可以在無氧狀態下維持更長時間的高強度運動，並且更能忍受及清除乳酸。

• 訓練狀態：經過個別訓練的能量系統會更有效率地供能。例如，耐力訓練可以提高有氧系統利用脂肪作為燃料供能的能力。

• 營養狀況：運動前和運動期間的碳水化合物攝取量會影響肝醣的儲存和利用，進而影響乳酸系統和有氧系統的供能。

• 環境因素：例如在高海拔地區，由於氧氣供應減少，有氧系統的供能能力會受到限制，身體可能會更多地依賴無氧系統。

• 運動類型：不同的運動項目由於其特有的運動模式和強度變化，對能量系統的需求也不同。例如，足球比賽中包含了短時間的爆發性衝刺、中等強度的跑動以及低強度的步行和站立，因此需要三個能量系統的協同作用。

註：有氧能力(Aerobic Capacity)是身體利用氧氣產生能量的能力，通常以最大攝氧量(VO2 max)來衡量，最大攝氧量(VO2 max)的單位為ml/kg/min，指一個人在海平面上，從事最激烈的運動時，組織細胞所能消耗或利用的氧之最高值，被認為是評估有氧耐力和心肺功能的核心指標，數值越高，代表心血管系統運輸氧氣能力和肌肉利用氧氣的效率越強，體能素質通常也較好。無氧能力(Anaerobic Capacity)為人體在無氧條件下產生能量的能力。

運動強度與能量來源的關係

在不同運動強度下，碳水化合物和脂肪作為能量來源的比例會有所不同：

• 高強度運動：身體更傾向於利用碳水化合物作為能量來源，因為碳水化合物可以在有氧和無氧條件下更快地產生能量。

• 中等強度運動：碳水化合物和脂肪的供能比例相對平衡。

• 低強度運動：身體主要依賴脂肪作為能量來源。雖然燃燒脂肪的比例較高，但總體能量消耗較少。

該如何分辨有氧運動和無氧運動呢？有何差異呢？

所謂的有氧運動和無氧運動是指在該運動中，哪一種能量系統佔據主導地位，是主要依賴的能量系統。然而，實際上幾乎沒有運動會完全只使用單一的能量系統，而是三者以不同比例共同運作，只是某一種系統佔比較高。

• 有氧運動：主要以有氧系統供能，通常是低至中等強度、持續時間較長的運動，如快走、慢跑、馬拉松、游泳、騎自行車、跳繩等。

• 無氧運動：主要以無氧系統（ATP-PC 和乳酸系統）供能，通常是高強度、短時間的運動，如賽跑（短跑）、舉重、重量訓練等。

監測運動時心律可評估運動強度及推估主要使用的能量系統

心率與運動強度密切相關，通過監測運動時的心率，並對照最大心率的百分比，可以粗略估計當前運動強度下主要使用的能量系統。在大多數情況下，較高的心率通常對應著更高的運動強度和更多無氧系統的參與，運動生理學家使用心率作為攝氧量（VO2）的替代指標，這在缺乏代謝分析設備的情況下相對簡易。

運動時常用的心率指標有哪些？最大心率、靜止心率、最大心率百分比、儲備心率百分比一次看！

最大心率(Maximal Heart Rate, HRmax)

個人進行極高強度運動所能達到的最高心率，例如在激烈的競賽或高強度間歇訓練的最後階段。HRmax會隨著體能鍛鍊的提高而略微下降，幅度約3-7%，並隨著年齡的增長而緩慢降低，約每年0.6bpm，但個體差異巨大。此外，年齡無法準確預測HRmax，即使最先進的迴歸公式也有90%的誤差幅度，即每分鐘 ±18次(bpm)，其誤差太大，無法應用於訓練。概算公式：HRmax = 220 - 年齡，預估效果不佳且誤差極大，不適用於運動訓鍊，僅供一般人方便估算使用。

靜止心率（Resting Heart Rate, HRrest）

個人在靜止狀態下的最低心率。測量方法簡單，只需靜躺五分鐘後測量。縱使是運動員，HRrest也存在顯著的個體差異。絕對心率值對於訓練沒有意義，由於HRmax和HRrest的個體差異很大，使用絕對心率，例如Zone 2 = 110-120 bpm，作為訓練目標是沒有意義的。

最大心率百分比（%Maximal Heart Rate, %HRmax）

是常見的標準化心率指標，將心率表示為HRmax的百分比。%HRmax的缺點在於只考慮了HRmax，卻忽略了HRrest的個體差異。此外，過低的%HRmax值，例如10%或20%HRmax無實質上意義，因為在生理上對大多數人來說是不可能達成的。

儲備心率百分比（%Heart Rate Reserve, %HRreserve, %HRR）

是種較好的標準化心率指標，兼顧HRmax和HRrest，將心率範圍視為從HRrest（0%）到HRmax（100%）的『油門』。相較於%HRmax，%HRR與最大攝氧量百分比(%VO2max)有很好的相關性，%VO2max通常被用作運動生理學中相對代謝強度的黃金標準。
假設運動的目標心率為HRtarget = HRt
%HRR = (HRt - HRrest) / (HRmax - HRrest) × 100
HRt = HRrest + (%HRreserve / 100) × (HRmax - HRrest) 
註：bpm=beats per minute每分鐘心搏數

阻力訓練（重量訓練）對能量系統和身體組成有何影響？

阻力訓練雖然不一定在運動過程中消耗大量熱量，但可以有效增加肌肉量，肌肉量的增加可以提高基礎代謝率，即使在休息時也能消耗更多能量。此外，阻力訓練主要依賴 ATP-PC 系統和乳酸系統提供短時間的爆發力。

運動強度與脂肪燃燒

低強度運動時，脂肪供能的比例較高，但總熱量消耗較少。高強度運動雖然脂肪供能比例可能較低，但總熱量消耗較多，且有後燃效應，因此減脂效果可能更好。 
註：後燃效應 (excess post - exercise oxygen consumption, EPOC)為運動後身體持續消耗氧氣和熱量的現象。

運動訓練如何影響人體的能量系統？為什麼瞭解能量系統對於制定有效的運動訓練計劃很重要？

針對特定運動的能量系統進行訓練，改善能量系統的效率和容量，可以提高在該項目中的運動表現：

• ATP-PC系統訓練：短時間、高強度的間歇訓練，並有充足的休息時間，可以增加肌肉中ATP和PC的儲存量，提高系統的供能速度和能力。

• 乳酸系統訓練：持續時間較長（例如30秒至2分鐘）、高強度的重複訓練，中間間歇較短，可以提高肌肉的無氧代謝能力，增強身體對乳酸的耐受性和清除能力。

• 有氧系統訓練：持續時間較長、中低強度的運動，例如長跑、游泳或騎自行車，可以提高心血管系統的功能，增加氧氣的運輸能力，增強肌肉細胞利用氧氣產生能量的效率，並提高脂肪的代謝能力。

此外，合理的訓練計劃也應該考慮到各個能量系統之間的相互作用，以及運動強度、持續時間和個體健康水平對能量系統使用的影響，以達到最佳的訓練效果。

 

閾值是什麼？LT1和LT2的差別是什麼？

第1乳酸閾值(Lactate Threshold 1, LT1)和第2乳酸閾值(Lactate Threshold 2, LT2）：LT1 和 LT2通常是透過漸增負荷跑步機測試中的血液乳酸檢測來估計的。

LT1（第一乳酸閾值）又稱有氧閾值（Aerobic Threshold, AeT）

• 定義：運動強度較低時，乳酸開始在血液中輕微上升的臨界點（通常為乳酸濃度2 mmol/L左右）。在生理層面上，超過LT1會導致慢縮肌纖維效率下降，並徵召更多的快縮肌纖維，這也伴隨著運動過程中攝氧量的緩慢上升，LT1代表從輕鬆到中等強度向較高有氧強度的轉變。

• 生理機制：此時身體主要依賴有氧代謝（利用氧氣分解葡萄糖、脂肪供能），乳酸產生速度低於清除速度，乳酸濃度維持穩定。

• 運動強度：約為最大攝氧量（VO₂max）的55-65%，或最大心率HRmax的65-75%。

• 訓練意義：屬於「低強度有氧區」，適合長時間耐力訓練（如長跑、長距離騎車），可提升脂肪代謝效率和心肺耐力。

LT2（第二乳酸閾值）又稱無氧閾值（Anaerobic Threshold, AnT）

• 定義：運動強度達到某一臨界點時，乳酸產生速度超過清除速度，導致乳酸濃度快速上升（通常為4 mmol/L左右）。

• 生理機制：有氧系統無法滿足能量需求維持目前的運動強度，無氧糖解（乳酸）系統供能比例顯著增加成為主導系統，導致乳酸開始快速累積的臨界點。LT2是乳酸達的產生及清除達最大平衡狀態，稱為最大乳酸穩定狀態(maximal lactate steady state, MLSS)，代表在維持氧氣消耗、肌肉酸度和其他關鍵生理指標穩定的情況下所能達到的最高代謝強度。超過LT2後，身體處於一個無法持續的代謝狀態，攝氧量和血液乳酸會持續上升，最終導致力竭。

• 運動強度：約為VO₂max的80-90%，或HRmax的85-90%。

• 訓練意義：代表「可持續的最高強度」（如馬拉松配速），在此強度下約能維持 30-60分鐘，提升乳酸閾值能延緩疲勞，是耐力運動員的關鍵訓練指標，有氧健身鍛鍊較高的人，可以更長時間地維持有氧供能，延緩無氧閾值的到來。

LT1和LT2劃分了三個關鍵的強度區域

• 低於LT1：血液乳酸與基礎值無異，攝氧量穩定，對有氧系統的挑戰不大。

• 介於LT1和LT2之間：血液乳酸升高但穩定，攝氧量在運動開始後的10-15分鐘內逐漸上升然後達穩定。這個區域對有氧系統構成顯著挑戰，但不消耗無氧能量儲備。

• 高於LT2：血液乳酸和攝氧量持續上升，無法達穩定狀態，身體依賴無氧能量儲備，最終導致力竭。

監測心率區間的根本目的是判斷運動強度與LT1和LT2的關係，所有心率區間模型的根本目的，是透過將心率與特定的代謝強度和生理反應模式聯繫起來，從而獲得特定的訓練益處。例如若跑者運動強度位於五區間訓練模型中的Zone 2區間，表示在此強度下的有氧挑戰較低，血液乳酸值不升高，且主要依賴慢縮肌纖維。

總結

瞭解 ATP-PC、乳酸與有氧三大能量系統，有助於制定個人化運動計畫並提升運動表現，大多數運動皆結合三者運作，建議先經由專業醫師進行完整風險評估，如心電圖、心臟超音波與肺功能等檢查，再依個人狀況開立運動處方，確保安全與效果。希望閱讀完以上資訊後，能幫助您更好地理解運動三大能量系統，如果您對此有任何疑問，歡迎隨時聯絡我們。