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“筋肉博士”石井直方のやさしい筋肉学

体重を落とすためには「よく動く」ことが有利なワケ

第17回 筋肉に備わる「筋収縮」と「熱発生」の関係

 コーチング・クリニック(ベースボール・マガジン社)

“筋肉博士”石井直方先生(東京大学教授)が、筋肉のメカニズムや機能を毎回わかりやすく解説していきます。今回は、筋肉における「仕事」と「熱」の関係について。筋肉に負荷をかけた運動よりも効率的に熱の産生を高める仕組みを取り上げます。

力学的パワーと熱との関係

 等尺性収縮をしているとき、筋肉は仕事をしていないということを連載13回「運動パフォーマンスにおける筋の力学的パワー」で書きました。仕事がゼロということはパワーもゼロ。単純に考えると、消費エネルギーもゼロということになり、無限に力を維持できるということにもなります。

 しかし、そんなことは実際にはあり得ません。等尺性収縮をしているとき、筋肉は力学的パワーを発揮しない代わりに「熱」という手段で、エネルギーを発散しているのです。

「筋肉にかける負荷を小さくして、たくさん動くようにすると熱生産が大きくなるので、エネルギー消費も大きくなります」(石井)。(©Cathy Yeulet-123rf)
「筋肉にかける負荷を小さくして、たくさん動くようにすると熱生産が大きくなるので、エネルギー消費も大きくなります」(石井)。(©Cathy Yeulet-123rf)

 筋肉は、これまで述べてきたような力学的なエネルギーを発揮することと、働きながら熱を生産するという2つの役割を担っているということになります。つまり、筋肉全体のエネルギー消費を考えるときは、「仕事」と「熱」という2つの視点で見る必要がある。仕事+熱=全エネルギーということになるわけですね。

 自動車のエンジンやモーターも同様で、これらも動いていれば熱くなります。そして、放出する熱に比べてよりたくさんの力学的仕事をするものは、熱効率のよい機械ということになります。ガソリンエンジンなどは非常に高い熱が出るため、冷やしながら使わないとオーバーヒートしてしまいます。熱効率としては20~30%でしょう。

 筋肉も平均的な熱効率は20~30%、一番効率のよい部分で50%程度だと思われますが、実際の熱効率は力に依存して変化します。例えば、等尺性収縮で力だけ出しているときは熱しか出ないので、熱効率はゼロ。無負荷で収縮しているときも同じです。

 では、筋肉が出す力学的パワーと熱はどういう関係にあるのでしょうか。これをA. V. ヒルというノーベル賞も受賞した生理学者が詳細に調べました。

 等尺性条件で筋肉にさまざまな負荷をかけて収縮を行わせ、熱発生率(1秒間当たりにどのくらい熱が発生するか)を測定。その値に、連載13回で解説した力-速度関係から導き出した力学的パワーを加えると、全エネルギー発生率が求められます(図参照)。そのことをヒルは1938年の論文で発表しました。この研究の結果、等尺性収縮で速度が出ていない場合、熱の発生は一番小さいということがわかりました。

図 筋とモーターの力とエネルギー発生率との関係
図 筋とモーターの力とエネルギー発生率との関係
[画像のクリックで拡大表示]

等尺性収縮をしている時は熱生産率も小さい

 等尺性収縮をしているときは熱しか出ませんが、熱生産率そのものも小さい。つまり、等尺性で頑張っているとき、筋肉はエネルギーをほとんど使っていません。エネルギーをセーブして、力を出しているわけです。負荷が小さくなり、スピードが上がっていくに従って、どんどん熱生産が増えていく。無負荷で短縮しているときは非常に大きな熱が出ます。

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