Introduzione
L’uomo in movimento è stato oggetto d’interesse dall’antichità più antica, per motivi ludici, estetici, o medici, basti pensare ai giochi di Olimpia, o alle prescrizioni di Ippocrate. In tempi a noi più vicini, l’interesse per il movimento si è arricchito del rigore formale dell’approccio quantitativo che consente di utilizzare l’esercizio fisico come un farmaco di cui è necessario conoscere indicazioni, controindicazioni e posologia.
A questo scopo tratterò brevemente:
1) l’utilizzazione relativa di grassi e glucidi in funzione di intensità e durata dell’esercizio;
2) il costo energetico di alcune forme di locomozione umana.
Fattori che determinano
l’utilizzazione di glucidi e lipidi durante esercizio.
L’energia consumata durante lavoro è proporzionale alla quantità totale di O2 utilizzato (VO2, litri), mentre la potenza metabolica è proporzionale al consumo di O2 per unità di tempo (V’O2, litri/min). Per una misura accurata dell’energia utilizzata, o della potenza metabolica è quindi necessario conoscere l’equivalente energetico dell’O2 che varia da un minimo di 4,67 kcal/L (19,55 kJ/L) quando si utilizzino lipidi puri, a un massimo di 5,05 kcal/L (21,14 kJ/L) quando si utilizzino glucidi. (L’utilizzazione netta delle proteine contribuisce per il 5 % circa del dispendio energetico totale a riposo e si riduce a poca cosa (≤ 1-2 %) durante lavoro muscolare. L’analisi che segue sarà quindi basata sul presupposto che glucidi e lipidi siano gli unici substrati energetici utilizzati durante lavoro muscolare.)
Il contributo percentuale di glucidi e lipidi al dispendio energetico totale è proporzionale al quoziente respiratorio metabolico (QR = VCO2/VO2) che varia da un minimo di 0,71, quando i lipidi contribuiscono per il 100% e i glucidi per lo 0% (e quindi l’equivalente energetico dell’O2 è 4,67 kcal/L) ad un massimo di 1,00 nel caso opposto (e quindi l’equivalente energetico dell’O2 è 5,05 kcal/L). Si noti infine che, a causa delle ampie riserve di CO2 (circa 250 L) immagazzinate nell’organismo sotto forma di bicarbonati (HCO3-) il QR misurato a livello delle vie aeree superiori può essere molto diverso dal QR metabolico “vero”: ad esempio, quando si abbia produzione di acido lattico, il tamponamento degli ioni H+ da parte dei bicarbonati plasmatici (H+ + HCO3- = H2CO3 = H2O + CO2) fa sì che il CO2 eliminato con l’aria espirata sia maggiore di quello di origine metabolica. In queste condizioni quindi la misura del QR non è un indice accurato del contributo energetico relativo di lipidi e glucidi. In pratica tuttavia, data la modesta variazione dell’equivalente energetico dell’O2 in funzione del QR è spesso conveniente trascurare la misura del QR e considerare un equivalente energetico dell’O2 “ragionevole” ed eguale a 5,0 kcal/L.
Le riserve di glucidi dell’organismo sono piuttosto ridotte (ca. 600 g = 2.460 kcal), rispetto alle riserve di grassi. Queste dipendono dalla percentuale di grasso corporeo, che, in età adulta, è dell’ordine del 10 – 15 % nei maschi e del 15 – 20 % nelle femmine. Di conseguenza, e poiché la densità energetica del tessuto adiposo, sottocutaneo o periviscerale è molto vicina a quella del grasso puro (9,3 kcal/g) è facile calcolare che l’energia immagazzinata sotto forma di lipidi nell’organismo umano è in media di circa 75.000 kcal.
Si impone a questo punto una breve considerazione sull’elevato contenuto energetico dei grassi. Si ricordi a questo proposito che l’equivalente meccanico della kcal è 4,19 kJ, ovvero, in unità tecniche, 427 chilogrammetri. Se quindi l’energia chimica contenuta in 1 grammo di grasso (9,3 kcal) fosse interamente trasformata in energia meccanica, essa sarebbe sufficiente a sollevare la massa di un kg nel campo gravitazionale terrestre dal livello del mare a
9,3 x 427 = 3.971 metri di quota!!! Anche se il rendimento del lavoro muscolare è solo del 25 % circa, quest’esempio banale dimostra quanto sia difficile perdere massa grassa con il solo esercizio fisico, i cui benefici sono da attribuire ad un insieme di fattori che vanno al di là del solo dispendio energetico in quanto tale.
Dato che l’equivalente energetico dell’O2 è più elevato quando si utilizzino glucidi (v. sopra), e poiché il principale fattore limitante la massima potenza aerobica è il trasporto dell’O2 dall’aria alveolare al muscolo, la “saggezza del corpo” (“the wisdom of the body”, secondo la lapidaria espressione inglese) fa sì che l’utilizzazione relativa dei glucidi aumenti con l’intensità dell’esercizio, tuttavia, le riserve di glucidi sono piuttosto ridotte (v. sopra); ne segue che l’utilizzazione relativa dei glucidi, e con essa il QR, diminuisce all’aumentare della durata dell’esercizio (Fig. 1).
Figura 1 - Percentuale di energia di provenienza lipidica e glucidica, in funzione del tempo, durante due esercizi
(marcia su ergometro trasportatore) di diversa intensità metabolica.
Tabella 1 - Costo energetico J/(kg m) o ml O2/(kg km) della marcia naturale alla velocità optimum (v opt, km/h) e della corsa, a diverse inclinazioni del terreno (i, %). Il costo della corsa è indipendente dalla velocità; quello della marcia aumenta a velocità superiore o inferiore a quella indicata.
Il costo energetico di alcune forme di locomozione umana
L’energetica di molte forme di locomozione umana può essere descritta in modo accurato quando se ne conosca il costo energetico, cioè l’energia spesa per unità di percorso. In generale il costo energetico è rappresentato con il simbolo C, spesso con un suffisso che indica il tipo di locomozione in oggetto e, per paragonare soggetti di taglia diversa, è utile esprimerlo in rapporto ad una dimensione corporea, molto spesso la massa. Unità correnti di C saranno quindi: kJ/km; kcal/km; LO2/km; J/(kg m); kcal/(kg km); LO2/(kg km), unità che possono essere agevolmente trasformate le une nelle altre quando si ricordi che 1 litro O2 ≈ 5 kcal ≈ 21 kJ. Il costo energetico della marcia naturale e della corsa, sia in piano che a varie inclinazioni del terreno, è stato studiato fin dalla seconda metà del XIX secolo. Questa messe di dati, riassunta in tabella 1, ha dimostrato che mentre il costo energetico della corsa è indipendente dalla velocità, almeno quando si trascuri la resistenza dell’aria, il costo della marcia raggiunge un valore minimo ad una velocità ottimale (tanto inferiore quanto maggiore la pendenza del terreno).
Tabella 2 - Costo energetico (J/(kg m)) e potenza metabolica (W/kg) in funzione della velocità (v, m/s) (1 J ≈ 0,048 ml O2; 1 W ≈ 2,87 ml O2/min) nelle quattro forme di locomozione indicate a livello del mare (pressione barometrica = 760 mm Hg; T = 20 °C) su terreno piano e compatto in assenza di vento. Bicicletta da corsa tradizionale in posizione abbassata sul manubrio. Nelle forme di locomozione indicate C (per kg di massa corporea) è eguale nei due sessi. L’ultimo termine rappresenta in ogni caso il dispendio energetico contro la resistenza dell’aria.
Tabella 3 - Costo energetico (J/(kg m)) e potenza metabolica (W/kg) in funzione della velocità (v, m/s) (1 J ≈ 0,048 ml O2; 1 W ≈ 2,87 ml O2/min) su vari tipi di bicicletta, a livello del mare (pressione barometrica = 760 mm Hg; T = 20 °C) su terreno piano e compatto in assenza di vento. Il primo termine delle equazioni indica l’energia o la potenza metabolica spesa contro l’attrito volvente; il secondo l’energia o potenza metabolica dissipata contro la resistenza dell’aria.
Inoltre, cosa del tutto ovvia, il costo energetico di marcia natirale e corsa aumenta in salita e diminuisce in discesa, fino ad una pendenza di circa il 20%, per salire ulteriormente quando la discesa divine più ripida. Sembra pleonastico sottolineare che il costo energetico di marcia naturale e corsa dipende dalle caratteristiche del terreno: su prato, terreno sabbioso, fangoso, innevato, o comunque irregolare, si osserva un sostanziale aumento del costo energetico che può anche raddoppiare. Lo stesso dicasi di alcune condizioni patologiche: la più eclatante delle quali è la sclerosi multipla che, nelle fasi avanzate, comporta un costo energetico della marcia naturale che può essere da due a tre volte superiore a quello osservato in condizioni fisiologiche, alla stessa velocità e massa corporea.
Molte altre sono le forme di locomozione di cui nel corso degli anni si sono studiate le caratteristiche biomeccaniche e bioenergetiche. Dalla marcia agonistica, al pattinaggio di velocità al ciclismo, forme di locomozione di cui sono riportate alcune caratteristiche salienti nelle tabelle 2 e 3. Dal nuoto a varie forme di locomozione assistita in acqua (voga inglese, voga in gondola, canoa, kayak, etc.). Il lettore interessato troverà citati nelle bibliografia alcuni lavori originali in merito.
Conclusioni
Alcune delle considerazioni brevemente discusse sopra sono riassunte in Figura 2 che, piuttosto schematica in verità, è comunque parecchio informativa, almeno a mio giudizio. Per semplicità si trascureranno i due quadranti inferiori che nulla aggiungono a quanto sarà detto nel prossimo paragrafo. Nel quadrante in alto a destra della Figura 2 è indicato il consumo di O2 (L/min) di un ipotetico soggetto di 70 kg in funzione della velocità (km/h) in varie forme di locomozione: nuoto a crawl (n), marcia naturale (m) o agonistica (m*), corsa (c), pattinaggio di velocità (p) e ciclismo su bicicletta da corsa tradizionale (b) su pista in posizione abbassata sul manubrio. Quando si conosca anche il massimo consumo di O2 del soggetto in questione è possibile passare al quadrante in alto a sinistra, dove è indicato in ascissa il QR (media su tutta la durata dell’esercizio) per tre durate diverse (0, i.e. pochi minuti) 1, 3 e 5 ore) in funzione dell’intensità dell’esercizio espressa in percentuale del massimo consumo di O2.
Quando si conosca la velocità di progressione e la durata dell’esercizio è possibile calcolare, a partire dal quadrante di destra, la quantità di O2 consumato (litri) e, dal quadrante di sinistra, il QR medio. Questi dati consentono di calcolare l’energia totale spesa, la frazione di essa di provenienza glucidica e lipidica e la quantità di grassi e glucidi ossidati (in grammi). Le linee tratteggiate esemplificano l’uso di questo diagramma. Si immagini un soggetto (di buon livello atletico) che corre per un’ora alla velocità di 18 km/ora.
Il quadrante sinistro ci dice che il suo consumo di O2 medio è 3,6 L/min e, di conseguenza, che l’O2 totale consumato ammonta a 216 L. Supponendo che il suo massimo consumo di O2 sia 5,0 L/min e che quindi il suo consumo medio sia pari all’80% del massimo, dato che la durata dell’esercizio è stata di un’ora, il quadrante di sinistra ci dice che il suo QR medio è stato 0,916. Questo valore di QR corrisponde ad un equivalente energetico dell’O2 di 4,92 kcal/L pari quindi ad una totale spesa energetica di 216 x 4,92 = 1063 kcal (4450 kJ). Lo stesso QR medio (0,916) ci dice anche che la totale spesa energetica è stata coperta per il 70% dai glucidi e per il restante 30 % dai lipidi. Poiché la densità energetica di glucidi e lipidi è 4,1 o 9,3 kcal/g, ciò consente di calcolare anche che l’ora di corsa ha portato al consumo di 189 grammi di glucidi e 35,7 grammi di lipidi.
Per uso più raffinato di questo tipo di approccio è necessario conoscere il costo energetico individuale della locomozione presa in esame, soprattutto per quelle forme di locomozione come il nuoto in cui le variazioni inter-individuali e i vari stili possono essere molto rilevanti. Inoltre è immediatamente evidente come un approccio di questo tipo possa essere facilmente informatizzato, dato che tutte le variabili in oggetto sono disponibili in letteratura. “Hoc est in votis”. ■
Figura 2 - Quadrante superiore destro. Potenza metabolica (V’O2, L/min) in funzione della velocità (km/h) nelle forme di locomozione indicate (nuoto a crawl (n), marcia naturale (m) o agonistica (m*), corsa (c), pattinaggio di velocità (p) e ciclismo (b) su bicicletta da corsa tradizionale su pista in posizione abbassata sul manubrio). Quadrante superiore sinistro. Il quoziente respiratorio medio su tutta la durata dell’esercizio è indicato in ascissa in funzione dell’intensità dell’esercizio espressa in percentuale del massimo consumo di O2, per quattro durate di esercizio (0 = pochi minuti). Quadrante inferiore destro. Costo energetico della locomozione considerata in funzione della velocità. Quadrante inferiore sinistro. Quando è noto il costo per km e la distanza percorsa (rette irradiantisi dall’origine) è facile risalire al numero totale di litri od O2 consumati (ascissa).
Soggetto di 70 kg; massimo consumo di O2 = 5,0 L/min.
Le linee tratteggiate esemplificano l’uso del diagramma (v. testo).
Bibliografia
Prampero, P.E. (di) (1986) – The Energy cost of human locomotion on land and in water. Int.
J. Sports Med. 7: 55-72.
Prampero, P.E. (di), Fusi, S. (2001) – Il costo energetico della corsa. Med. Sport 54: 43-50.
Fusi, S., Campailla, E., Causero, A., Prampero, P.E. (di) (2002) – The locomotory index: a new proposal for evaluating walking impairments. Int. J. Sports. Med. 23: 105-111.
Minetti, A.E., Moia, C., Roi, G.S., Susta, D., Ferretti, G. (2002) – Energy cost of walking and running at extreme uphill and downhill slopes. J. Appl. Physiol. 93: 1039-1046.
Pendergast, D., Zamparo, P., Prampero, P.E. (di), Capelli, C., Cerretelli, P., Termin, A. Craig, A. (jr.) Bushell, D., Paschke, D., Mollendorf, J. (2003) – Energy balance of human locomotion in water, Eur. J. Appl. Physiol., 90: 377 – 386.
|
