人體的能量金字塔-能量生產系統

因為跑步一直進步很慢，一直很想好好 debug，debug 自己的身體。

在工程師的眼睛裡，看系統都習慣用 input-process-output 來看。如果 output 不如預期，可能 input 有錯，但問題最大的通常在 process。

人類的身體要跑起來，input 都是吃進來的食物、吸進氧氣，但為什麼 output 效能這麼差？跑步能量的輸出，中間到底是怎麼運作的？

都知道什麼最大攝氧量 VO₂MAX 啦、也聽說身體裡有一個神奇的「粒腺體」，但，那到底是什麼？跟跑步用的能量相關的邏輯到底是什麼？

於是為了 debug 自己的身體，花了一點時間去研究這個系統。結果大家都在鑽 AI，最近反而回頭鑽自己的身體。AI 每天都有新資訊也是有點煩，搞清楚會一直跟著自己的身體一定也沒錯。

但還是得靠 AI，打開 AI，重新學習人體的生物學。在有 AI 的時代，學習這件事變的幸福，學習變成是雙向的，依據自己的需求與節奏的，依據自己的理解，選擇想要去推進想要深入的點，更容易依據自己的學習習慣，快速掌握一個不熟悉的知識，而不是大家的學習都是同一本書，用同樣的節奏推進。

於是我把這段時間，debug 自己的身體的學習，再理解了之後用，我自己的方式，重新輸出一次。

我把整個「身體的能量系統」，從食物的輸入到跑步的輸出，分類成了三大系統：供應鏈系統、能量生產系統、跟功能系統。這是我自己的理解方式，把身體的能量系統用資訊系統的方式來重新理解。

而這一篇要聚焦分享的，是在中間的「能量生產系統」。

人體的能量生產系統

透過跟 AI 的互動學習，我的筆記方式，最後一定會形成一張架構圖。

用一張系統架構圖來理解一個觀念或一件事情，是我的腦袋理解事物最喜歡的方式，比起文字，圖像思考可能更是我的強項。

但沒想到，關於人體的能量系統的學習內容一展開，越畫越大張，然後變得...非常複雜，不容易用這張圖來分享，但有興趣的朋友，請自行下載 PDF，可以自己放大來看。

這一篇要分享的方式，是用簡化版的系統架構圖：

人體的「能量生產系統」，系統的主要的 input 輸入介面就是：Fatty-acid（脂肪酸）、Glucose（葡萄糖）、跟 O₂（氧），主要的 output 輸出介面就是「ATP」，是身體細胞主要使用的能量格式。

而 process 包含葡萄糖的糖解、脂肪酸的 Beta 氧化螺旋、跟粒腺體裡面最關鍵的 TCA 循環與 ETC。

而主要的 Process，也就是 ATP 能量的生產地點，就在身體裡面每一個細胞的細胞質，以及細胞質中的粒腺體裡。

能量生產模組

而在能量生產系統裡面，最關鍵的兩個生產模組，是「糖解」（Glycolysis）與「ETC」。

糖解主要在細胞質的層面，直接分解葡萄糖，就直接產生 ATP 能量。所以糖解作用是一個非常快的能量生產系統，而且不需要氧氣參與就可以作用，所以無氧運動的時候，這個模組會吃非常兇。

而 ETC，是在粒腺體裡面運作，就需要的氧氣的 input，我們做所謂的「有氧運動」，像是跑 Zone 2 或是 LSD，主力靠的就是這個生產系統。

而且 ETC 生產能量，還需要的 NADH，NADH 需要好幾道工序才能產生。有的在細胞質，有的在粒腺體裡面作用，才能生產出來，讓 ETC 運作來產生 ATP 能量。

以葡萄糖來說，糖解後可以快速產生了 ATP，同時產生了 Pyruvate（丙酮酸)。Pyruvate 傳進去粒腺體之後，透過 PDH 作用 (丙酮酸去氫化 Pyruvate Dehydrogenase) 產生 NADH，然後再送進去 ETC，在有氧的狀況下，可以再產生 ATP。

但還沒結束。

PDH 作用，產生 NADH 的同時，還會留下 Acetyl-CoA，可以再丟進去 TCA 循環（三羧酸循環），來最後利用來產生 NADH，還可以再一次丟進去 ETC 產生 ATP。

也就是一分子的葡萄糖，在細胞裡面會被多道工序一路拆解，拆出更多 NADH，然後產生多個 ATP。

Glucose（葡萄糖）-[糖解]-> 
Pyruvate（丙酮酸)-[PDH]-> 
Acetyl-CoA -[TCA循環]-> 
CO₂

每一個工序：糖解、PDH、TCA 循環，都會產生 NADH

• 糖解：2個 NADH
• PDH：1個 NADH
• TCA循環：3個 NADH（+1個 FADH₂+1GTP）

但糖解後，一分子葡萄糖會裂解成兩個 G3P，所以 PDH 要 X2，TCA也要 X2。 總共 10 個 NADH，平均一個 NADH 會產生 2.5 個 ATP（FADH₂= 1.5 ATP，GTP = 1 ATP）

因此：

• 一分子葡萄糖在無氧糖解，可以產生 2 ATP。
• 一分子葡萄糖在有氧 ETC，可以產生 32 ATP。

但 Fatty-acid（脂肪酸）更可怕，一分子的脂肪酸，有機會產生 108 ATP。

所謂的有氧運動燃脂，Zone 2 / LSD 的奧義，就發生在脂肪酸進 ETC 這條生產能量的鏈路上。

能量金字塔

跟葡萄糖一樣，脂肪酸（Fatty-acid）進細胞之後，也會經過多道工序，拆解他，不停做出 NADH，然後丟進去 ETC 產生能量。

但脂肪酸無法進行無氧糖解，脂肪酸這條鏈路，一律只走有氧 ETC 來產生能量，而且「只」能在粒腺體裡面作用。

脂肪酸解構的鏈路是：

Fatty-acid -[activate]-> 
Fatty-Acyl-CoA -[Beta氧化]-> 
Acetyl-CoA -[TCA 循環] -> 
CO₂

其中會產生 NADH 的工序有：

• Beta 氧化螺旋：7 NADH + 7 FADH₂ 平均一個脂肪酸有 16 個碳，每一個 Beta氧化螺旋，一個 sprint 拔 2 個碳，共可以拔 n/2-1 次，每拔一次掉一個 NADH。
• TCA 循環：24 NADH + 8 FADH₂+ 8 GTP 一個 Acetyl-CoA 進 TCA循環，可以有 3 個 NADH + 1 個 FADH₂+ 1 個 GTP，Beta 氧化螺旋一個 C16 的脂肪酸，可以切出 8 個 Acetyl-CoA（C2）

所以一分子的脂肪酸，有機會產生 108 ATP。（31 NADH X 2.5 ATP + 15 FADH₂X 1.5 ATP + 8 GTP X 1 ATP ）

所以人體的能量生產系統，等於分成三層來產生能量：

• 第一層：在細胞質，糖解直接產生能量（葡萄糖：2ATP | 脂肪酸：0）
• 第二層：在粒腺體，第一波工序產生 NADH，丟進 ETC 產生能量（葡萄糖：10 | 脂肪酸：28 ATP）
• 第三層：在粒腺體，第二波工序主角是 TCA循環，轉出 3 NADH 後，再丟進 ETC 產生能量（葡萄糖：20 | 脂肪酸： 84 ATP）

有趣的是，無論是葡萄糖，還是脂肪酸，最後在第三層，都會被拆成 Acetyl-CoA，來丟進去 TCA 循環。只是葡萄糖可以拆 2 個，脂肪酸平均有機會拆出 8 個。

而越往下層走，拆解的越徹底，能產生的能量越多，就像是一個「能量的金字塔」。

所以為什麼跑不動

工序越多，產生能量的速度越慢，但相對的，產生的 ATP 能量超級多。

越快的生產方式（無氧糖解），產生的能量越少；越慢的生產方式（有氧 ETC），產生的能量越多。尤其要支撐長跑，打開能量金字塔第三層的能量非常重要，沒有第三層以 3 位數 ATP 能量的方式在生產，跑都跑不動。

而要進到第三層，不是工序多的問題，而是每一道工序之間，有些問題造成工序卡關了。一卡關，後面的工序無法運作，系統 deadlock，ATP 能量就跑不出來。

更慘的是，脂肪還燒不到，只燒到葡萄糖。因為脂肪酸，只能走比較費工的工序，進到二三層的有氧 ETC 來生產能量。進不了有氧系統，脂肪就燒不掉，只燒葡萄糖的話，一下就沒力了。

所以為什麼會卡關？被什麼卡關？（下一篇再說）