运动等于救命？科学真相来了
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| （图源：有氧 DailyO2） |
我们都知道，运动可以让人更健康、更长寿——而且数十年的研究也证明了这一点。但这些看似显而易见的好处背后，究竟隐藏着怎样的科学机制？近年来，研究人员开始揭示运动在细胞中究竟产生了哪些变化，从而带来这些益处。
著名科学杂志《自然》的一篇文章详细论述了“运动为何有益健康”背后的科学机制。本文将带你深入细胞与分子的微观世界，从最新研究出发，解读运动如何通过一连串复杂的信号传导、免疫调节和代谢重塑，全面影响身体各大系统。无论是肌肉释放的“运动因子”、细胞间的通信分子，还是多组学技术揭示的分子网络，我们正逐步揭开运动作为“分子处方”的奥秘。
本文还介绍了前沿项目MoTrPAC如何构建“运动的分子地图”，以及科学家正在尝试研发模拟运动效果的“运动仿效药物”。如果你想知道，运动为何如此关键，为什么它不仅仅是出汗和燃脂，那么这将是一场你不容错过的科学旅程。
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| （Image by Andrea Piacquadio from Pexels） |
数十年的研究证据表明，运动有助于更健康、更长寿。如今，研究人员开始揭示运动在细胞中究竟产生了哪些变化，从而带来这些益处。
每天早晨，班特·本特·克拉伦德·佩德森醒来的第一件事，就是穿上运动鞋跑上五公里——这不仅仅是为了保持体形。“这是我思考和无意识中解决问题的时刻，”她说。佩德森是哥本哈根大学的内科和感染病专家，“这对我的身心健康非常重要。”不论是跑步还是举重，运动对健康有益这一点早已众所周知。研究发现，每周快走450分钟，寿命平均可延长约4.5年；而定期身体活动还能强化免疫系统，预防慢性疾病，如癌症、心血管疾病和2型糖尿病。然而，纽约大学的细胞生物学家达芙娜·巴尔-萨吉指出，一个核心问题仍未解答：运动究竟是如何在生物层面带来健康益处的？
“我们知道它有好处，但我们对它在细胞中具体做了什么仍然知之甚少，”每周五天坚持在跑步机上快走30分钟的巴尔-萨吉说。
过去十年中，研究人员开始勾勒出运动期间及之后在全身启动的复杂细胞与分子反应网络。某些过程可降低炎症水平，而另一些过程则促进细胞修复与维护。运动还促使细胞释放信号分子，在器官与组织之间传递密集的“信息流”：从肌肉细胞传送到免疫系统和心血管系统，或从肝脏传送到大脑。
但这些交叉对话的具体意义，目前科学界才刚刚开始解读。哥本哈根大学的分子生物学家阿图尔·沙哈吉·戴什穆克表示：“任何一个分子都不是单独发挥作用的，”热爱山地骑行的他说，“这是一整个协作网络在发挥功能。”
运动也正日益受到科研资助的重视。例如，美国国家卫生研究院为一项历时六年的人类与大鼠联合研究项目投资了1.7亿美元，旨在绘制出一张详尽的运动作用分子图谱，揭示运动期间及之后分子如何发生变化。该研究联盟已发布了首批来自大鼠实验的数据，内容涉及运动如何在多个器官、组织和基因表达层面引发变化，以及这些变化在不同性别间如何有所差异。
构建更清晰的运动分子图谱，不仅可能揭示仿效运动效应的新药靶点，还可能将运动的部分益处“浓缩”进药丸中。不过，这类药物能否真正模拟出运动的全部益处，目前仍存在争议。
佩德森认为，这项研究还有助于找出哪些类型的运动能更好地服务于慢性病患者。“我们认为可以像开药一样开运动处方，”她说。
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| （Image by Igor Link from Pixabay） |
与生俱来的运动天性
运动是人类演化历程中的一个基本组成部分。虽然其他灵长类动物大多演化为较为静态的物种，但人类则转向了需要长距离行走、搬运重物和偶尔奔跑以逃避威胁的采猎生活方式。
哈佛大学古人类学家丹尼尔·利伯曼指出，运动能力强的人更能活得更久，因此运动成为人类生理机制的核心部分。这种生活方式的转变导致了人体结构的变化：运动可燃烧原本会储存为脂肪的能量，而过量脂肪则会提高患心血管病、2型糖尿病和部分癌症的风险。虽然奔跑或举重等运动会对细胞造成一定压力，但这些压力同时也激发一系列细胞反应来抵消伤害，甚至让身体状况优于静止状态下。
对运动引发的生理变化的研究已有百年历史。1910年，英国剑桥大学的药理学家弗雷德·兰瑟姆发现，骨骼肌细胞会分泌乳酸，这是人体在将葡萄糖分解为能量的过程中产生的副产物。1961年，研究人员提出，骨骼肌在运动中会释放某种物质，帮助调节葡萄糖水平。
新线索随之出现。1999年，佩德森和她的团队在马拉松比赛前后采集跑者血液样本，发现多种细胞因子（免疫信号分子）在运动后大量上升，其中许多在运动结束4小时内仍保持高水平。这些分子中包括白细胞介素-6（IL-6），一种参与人体免疫防御的多功能蛋白。次年，佩德森团队又发现，IL-6是由运动中的收缩肌肉分泌的，这类分子统称为“运动激素”（Exerkines），即在运动中被诱导产生的化合物。
IL-6 的作用因情境而异。在静止状态下，IL-6 水平过高会引发炎症，并与肥胖和胰岛素抵抗（2型糖尿病的典型特征）相关。但在运动状态中，IL-6 可激活其“温和”亲属分子，如 IL-10 和 IL-1ra，它们能缓解炎症反应。“每次运动，都会引发一次抗炎反应，”佩德森说。她补充，虽然适度运动就能带来益处，但高强度、长时间、涉及大肌群的运动（如跑步或骑车）会显著增加 IL-6 的分泌。
运动的益处远不止这些。它虽然带来细胞压力，但也会同步激活应对这些损伤的防御机制。例如，线粒体（细胞的能量工厂）在运动中加快产能，同时也会生成活性氧等副产物，过量时可损伤蛋白质、脂质和DNA。然而，这些活性氧同时也会激发细胞的保护机制，抵消毒性，增强细胞防御力。
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| （Photo by Sam Sabourin on Unsplash） |
在这些“修复军团”中，有两种关键蛋白脱颖而出：PGC-1α（调节骨骼肌关键基因的表达）和 NRF2（激活编码抗氧化酶的基因）。人体已经进化出从运动这一“压力源”中受益的机制。正如中国科学院遗传与发育生物学研究所的遗传学家田烨所说：“压力如果不致命，就会让你更强大。”
运动激素无处不在
自从白细胞介素-6（IL-6）开启“运动激素”研究时代以来，多组学技术的爆发（结合蛋白组学、代谢组学等多种生物数据分析方法）使科学家不再局限于追踪单一分子。他们现在可以开始解开运动背后复杂的分子网络，以及这些网络如何与人体多个系统相互作用。斯坦福大学的遗传学家迈克尔·斯奈德说，他最近从跑步改为举重：“我们需要了解这些系统是如何协同工作的，因为人类是一个需要精密调节的稳态机器。”
2020年，斯奈德和同事对36位年龄介于40至75岁之间的志愿者进行了采血，分别在他们跑步机运动之前、运动中，以及运动后的不同时间点采集样本。他们利用多组学分析，测量了超过1.7万个分子，其中一半以上在运动后发生了显著变化。他们还发现，运动会启动一系列复杂的“生物舞蹈”过程，包括能量代谢、氧化应激和炎症反应等。斯奈德指出，建立运动分子目录，是理解它们如何作用于身体的第一步。其他研究则聚焦于运动如何影响不同的细胞类型。2022年，斯坦福大学的病理学家乔纳森·朗领导的一项小鼠研究发现，运动会改变21种细胞类型中超过200种蛋白质的表达模式。研究人员原本以为肝脏、肌肉和骨骼细胞对运动最敏感，但令他们惊讶的是，一种在多个组织中普遍存在的细胞类型表现出最剧烈的蛋白表达变化。这一发现表明，运动过程中比此前认为的更多类型的细胞正在“变换档位”，但这些变化对身体意味着什么，目前仍不清楚，朗表示。
研究还显示，运动后小鼠肝细胞会大量分泌几种羧酸酯酶，这类酶已知能加速新陈代谢。当朗和同事基因改造小鼠，使其肝脏持续表达这些代谢增强酶，并喂食高脂饮食时，这些小鼠并未发胖，而且在跑步机上的耐力更强。“这些分泌型羧酸酯酶可提升运动表现，这是我们以前从未知道的，”每周坚持游泳和举重的朗说。他补充说，如果能以合适的剂量和纯度合成这些酶，它们可能成为运动模仿药物的候选分子。
在运动过程中，不同器官和组织之间通过分子信号相互沟通。除了运动激素外，还有一种叫做细胞外囊泡的纳米级泡状结构，也可能是实现组织间“远程通话”的关键机制。澳大利亚莫纳什大学的运动生理学家马克·费布拉奥指出，这些细胞外囊泡可携带多种生物物质进行传递。2018年，曾是铁人三项运动员的费布拉奥在一项实验中，为11名健康男性的股动脉插管，并在他们骑自行车60分钟、强度逐步上升的过程中采集血液。结果发现，运动过程中以及之后，细胞外囊泡中的蛋白质种类暴增，数量超过300种，而在静息状态下并无此现象。
当研究团队从跑步机上运动过的小鼠身上收集细胞外囊泡，并注射到另一组健康小鼠体内后，发现这些细胞外囊泡大部分进入了肝细胞。在另一项尚未发表的研究中，费布拉奥团队还发现，这些细胞外囊泡的内容物可能具有抑制肝病的作用。一个关键悬而未决的问题是：这些细胞外囊泡是否也能将遗传物质传递到其他细胞中？如果能，那么对身体意味着什么？“我们仍知之甚少，”费布拉奥说。
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| （Image by dae jeung kim from Pixabay） |
运动是良药
首批数据来自进行1至8周跑步机训练的大鼠，在运动结束后采集了它们的血液和组织样本。研究人员识别出数千种在全身发生变化的分子过程，其中许多可能具有疾病保护作用，如抑制炎症性肠病、减少组织损伤等。另一项研究还发现，耐力训练的效果在性别之间有所差异：男性脂肪组织中的脂肪分解标志物上升，促进脂肪减少；而女性脂肪组织则更倾向于维持脂肪细胞功能和增强胰岛素信号通路，这或许有助于抵御心代谢疾病。第三项研究显示，运动还会调节与哮喘等疾病相关的基因表达，并可激发类似的适应性生理反应。
斯奈德指出，该联盟的一个重要目标，是找出运动为何对不同性别、年龄与种族背景的人具有不同的效果。“有些人从运动中获得巨大益处，而另一些人效果就没那么显著，这一点非常明显。”
MoTrPAC团队成员、佛罗里达州奥兰多AdventHealth研究所的运动生理学家布雷特·古德帕斯特表示，研究人员希望这批庞大的分子数据最终能帮助临床医生为慢性病患者制定个性化的运动处方。进一步来说，这些研究也可能为开发运动仿效疗法奠定基础，用于那些身体状况不允许进行运动的人群。他强调：“我们并不是要做出‘运动药丸’，但确实可以寻找一些可作为药物靶点的运动成分。”古德帕斯特本人曾参加过铁人三项、马拉松和自行车赛。
多个研究团队已开始探索早期运动仿效药物的可能性。2023年3月，佛罗里达大学药理学家托马斯·伯里斯领导的团队发现了一种新化合物，能激活雌激素相关受体，这些蛋白能在运动过程中激活心脏和骨骼肌中的代谢通路。当研究人员将这种名为SLU-PP-332的药物注射给小鼠后，发现其跑步耐力增加了70%，距离延长了45%。六个月后，伯里斯又发表一项研究显示，肥胖小鼠在接受该药物治疗后，即便摄入相同饮食、活动量不变，也体重减轻、脂肪更少。
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| （Photo by Gabin Vallet on Unsplash） |
目前已有证据表明，运动本身就是一种药物。2022年，巴尔-萨吉和她的同事发现，患有胰腺癌的小鼠如果每周进行5天、每天30分钟的有氧运动，其CD8+杀伤性T细胞（能杀死肿瘤和病毒感染细胞）水平明显升高。这些T细胞携带一种可与IL-15结合的受体，而IL-15是一种由肌肉在运动中释放的运动激素。研究表明，当T细胞与IL-15结合时，可更强烈地攻击胰腺肿瘤细胞，使患癌小鼠的生存期延长约40%。这项发现在人类癌症组织样本中也得到了验证：进行每周60分钟有氧+力量训练的胰腺癌患者，其CD8+ T细胞数量更高，五年生存率为对照组的两倍。
尽管“多运动有益健康”是常识，但全球仍有约25%的成年人未达到世界卫生组织的运动建议标准：每周中等强度运动（如快走）150–300分钟，或剧烈运动（如跑步）75–150分钟。悉尼大学的运动生理学家大卫·詹姆斯每天骑自行车上下班，他表示，了解运动在分子层面的作用机制，有助于公共健康部门发出更清晰有力的宣传：“这就是运动如何抵御慢性病的科学依据，这是一种非常强大的信息。”🅞
参考资料："Why is exercise good for you? Scientists are finding answers in our cells" by Gemma Conroy, Published on 07 May 2024 - Nature
