守恒模型及其在体成分中的应用

【作者】 刘琳；

【机构】 华南师范大学；

【摘要】 研究目的:守恒在物理学有大量应用,但在生物学中的应用却非常稀少。生命科学中的参数基本上是描述性的,缺乏不变性原理和基本自然常数。研究发现个体的骨骼肌含量、脂肪含量和其他物质含量在身体质量中的生物学占比的几何均值满足守恒,可用于健美运动员筛选和体成分管理等应用,也可以从生理极限的角度讨论人体成分的变化趋势。研究方法:本文从案例研究发现个体的骨骼肌含量、脂肪含量和其他物质含量在身体质量中的生物学占比的几何均值满足守恒,并初步讨论了这个现象在运动员选材和体成分管理等方面研究中的应用。体成分分别为脂肪、骨骼肌和其它体成分,三者在身体质量中的占比分别为脂肪占比f(脂肪质量/身体质量)、骨骼肌占比m(骨骼肌质量/身体质量)和其他占比o(其他成分质量/身体质量)。则有m+f+o=1,这里的守恒是指在定量差异(quantitative difference, QD)意义上的守恒[3]。QD有三个阈值,体成分是组织参数,QD三个阈值为(0.161,0.472,0.805),当两者之间的定量差异小于0.161时没有差异,视为守恒;当两者之间的定量差异大于0.161并小于0.472时为有差异但不显著,当两者之间的定量差异大于0.472并小于0.805时为有显著性差异;当两者之间的定量差异大于0.805时有非常显著性差异。研究结果:通过提取分析屈雯慧等人的数据表明,m、f和o三者的几何均值为守恒,干预前后m.f.o三者及其几何均值的定量差异分别为0.4726,0.3457,0.06285,0.02175,这表明,干预前后m在定量差异意义上有非常显著性差异,f在定量差异意义上有差异但不显著,而m*f*o在定量差异意义上完全没有差异,即几何均值守恒。通过提取分析李春艳等人的数据也表明,m、f和o三者的几何均值仍然守恒。干预前后m.f.o三者及其几何均值的定量差异分别为0.5511,0.2675,0.1325,0.05022从中可见,干预前后m在定量差异意义上有非常显著性差异,f在定量差异意义上有差异但不显著,而m*f*o在定量差异意义上完全没有差异,即几何均值守恒。由上文可知,个体的m*f*o三者几何均值在不同生命阶段均守恒,不因外部因素而转移。本文根据张飞飞,逄金柱等人的数据对专业性不同的健美运动员进行了比较。普通专业大学生健美运动员的平均体成分为m:0.5073,f:0.1203,o:0.3724,体育专业大学生健美运动员的平均体成分为m:0.6124,f:0.1025,o:0.2851,职业健美运动员的平均体成分为m:0.8257,f:0.0997,o:0.0746,通过对以上数据进行定量差异分析发现普通专业大学生和体育专业大学生运动员在m、f和o三者的几何均值方面并不存在显著性差异,但职业健美运动员和普通专业大学生运动员存在非常显著性差异。这说明,能否成为职业健美运动员需要一定的先天身体素质要求,而m、f和o三者的几何均值可以被应用于健美运动员潜力水平的筛选方面。本研究发现体成分占比的守恒量C也可以表征体成分占比的生理极限,本文分析了一个案例。通过守恒量C构建方程,分析得出mf关系式,绘制mf关系图,从图像中可以清晰得知mf变化趋势。本文选取的案例中的m、f和o三者的乘积为C=0.007198,根据绘制的函数图像分析,该案例中可以达到的极限值为(0.0942,0.8117),此时△=0,即可以达到的最高的骨骼肌占比为81.17%,此时脂肪占比为9.42%,其他部分占比为9.41%,这就是该案例个体可以达到的最高极限体成分值。由图像可知,当C为最大值0.333时,有且只有一个f=0.037,其他情况下,每个C都有相对应的两个f,分别为fmin和fmax。由上文可知C在个体上为守恒量,那么每个个体对应的fmin和fmax,就是个体能达到的最小脂肪占比与最大脂肪占比。由图二可知,随着C的增大,脂肪占比的可调节范围逐渐缩小,反之则逐渐增大。也就是说,C更小的人,拥有更大的体成分占比调节范围,也相对容易。本研究发现体成分占比的守恒量C,C可以表征体成分占比的生理极限。这个结果说明,生命科学中的生理极限具有与物理学中的物理常数同等的地位,根据这种数学思维可以将守恒量C作为人体功能参数的单位。个体的骨骼肌含量、脂肪含量和其他物质含量在身体质量中的生物学占比的几何均值满足守恒;守恒量模型可以在健美运动员筛选和体成分管理方面进行定量研究;通过守恒量也可以从生理极限的角度讨论的人体成分的变化趋势。研究结论:守恒在物理学有大量应用,但在生物学中的应用却非常稀少。生命科学中的参数基本上是描述性的,缺乏不变性原理和基本自然常数。研究发现个体的骨骼肌含量、脂肪含量和其他物质含量在身体质量中的生物学占比的几何均值满足守恒,可用于健美运动员筛选和体成分管理等应用,也可以从生理极限的角度讨论人体成分的变化趋势。更多还原