【本文原载于“环球科学”（微信公众号ID：ScientificAmerican），文 | 海伦·汤普森（Helen Thompson），译 | 刘荣，观察者网经授权转载。】
2004年，著名英国短跑选手德韦恩· 钱伯斯（Dwain Chambers）因服用禁药，被英国奥委会终身禁赛。直到2012年4月，国际体育仲裁法院才取消了对他的这一处罚。
禁赛事件之后，钱伯斯投入了大量的时间和精力来劝说其他人不要使用那些能提高运动成绩的药物，其中包括他承认使用过的6种违禁药物：两种加速恢复的合成代谢类固醇（一种化合精神药物和一种睾丸酮药膏）；加速血红细胞生成的促红细胞生成素（EPO），可延长使用者的训练时间；帮助身体恢复的人类生长激素；用于降低身体迟滞感的甲状腺激素碘塞罗宁（liothyronine）；提升警觉程度及反应速率的抗嗜睡症药物莫达非尼（Modafinil）。
EPO
人类对于极限的追求与运动会本身一样源远流长：古希腊医师伽林（Galen）把古代运动会上的知识带到了罗马帝国，提到了服食草药、菌类以及睾丸的效果。然而，现在的运动员把这种追求带到了一个新的层次，钱伯斯只是其中一例。
美国纽约州一家生物伦理学及公共政策基金会——哈斯丁中心（Hastings Center）的前主席托马斯·穆雷（Thomas Murray）表示：“提升运动成绩的技术如同体育界的军备竞赛。”
作为一名业余的自行车选手，穆雷与其他体育爱好者一样，对于似乎永无休止的兴奋剂丑闻感到震惊。他说：“在EPO的帮助下，我的4英里爬坡成绩会好得多，当然把自行车换成摩托车也能提高爬坡成绩。”但这就失去了体育本身的意义。禁止使用兴奋剂，是国际奥委会及所有职业及业余体育组织所公认的。
不过，有不同的意见认为，兴奋剂已经非常普遍，以至于体育界现实的选择就是让运动员使用他们想要的药物，只要是安全地使用。
英国西苏格兰大学的生物伦理学家安迪·迈亚（Andy Miah）认为：“如果禁药的目的是为了保护运动员的健康，把兴奋剂使用纳入医学监管之下似乎是一条更好的途径，更为重要的是，体育界应建立兴奋剂使用指导机构，作为世界反兴奋剂机构的补充，目的是更安全地提高运动员成绩。”
当然，科学技术无法独自解决这个道德难题，但或许能回答一个纯技术性问题：如果提高成绩的技术获得允许，人类的身体会有多大的提升空间？
能量药丸
对于增强力量来说，最有名的药物可能是合成代谢类固醇（anabolic steroids）。为了逃避兴奋剂检测，一些研究人员经常调整这些药物的结构，使得这类药物的品种越来越多。美国加利福尼亚大学的药理学家唐·卡特林（Don Catlin）认为：“一个类固醇分子有大约2000种不同的分子结构，每种都可能让你更强壮。”这些化合物的作用方式类似睾丸酮，能诱导蛋白质合成，产生更多的肌肉组织。多种类固醇与训练配合使用，能够让男性力量提升38%，女性可能更多。
另一种增强力量的流行药物就是人类生长素，它能提升1型胰岛素样生长因子（IGF1）的水平。这种激素可以刺激肌肉生长，尽管对于其是否确实能够提升人的力量仍有争论。在唯一一项得出正面结果的研究中，科学家给业余运动员使用了IGF1，结果这些短跑运动员的短跑能力提升了4%。这看起来不多，但在50米自由泳或者100米短跑比赛中，就能起到决定性作用。该研究的参与者之一、澳大利亚昆士兰大学内分泌学家肯内斯·赫（Kenneth Ho）指出：“如果你去看看那些百米大赛的成绩，选手间的差距不过是零点零几秒。”
在耐力项目中，力量就没有耐力重要了，运动员可以通过血液兴奋剂获得理想的成绩，它的目的是增加携氧红细胞的数量。这能通过血细胞回输或者服用EPO来实现。在一项研究中，血液兴奋剂让普通人的耐力增加了34%，而在另一项研究中，他们在跑步机上完成8000米跑的时间比以前快了44秒。瑞士苏黎世大学的马克斯·加斯曼（Max Gassmann）和同事在今年6月发表的研究表明，这些激素还会对人的大脑产生影响，增强参与训练的动力。
制药公司正在研制的一些药物，也可能被运动员非法使用。比如，有一种药物可以治疗肌肉营养不良（muscular dystrophy）以及其他肌肉萎缩疾病，该药物的机理是抑制肌骨素（myostatin）的活性，而肌骨素的作用则是控制肌肉生长。同样，还有一组叫做缺氧诱导因子稳定剂（HIF Stabilizers）的药物，本来是用于治疗贫血及肾脏疾病，它可以调节一种蛋白的活性，而这种蛋白可以启动某些基因（包括EPO的基因） 的表达，促进红细胞的产生。并且，这种药物也可能有助于提高认知水平。英国埃塞克斯大学的生物化学家克里斯·库珀（Chris Cooper）说：“有一系列的化合物试图证明，当你疲倦时，它们可以帮助你更清楚地思维。”
提高运动成绩的方法不仅仅来自药物。运动员同样很依赖营养供给，这是合法的。英国贝斯大学的运动生理学家康拉德· 伊恩斯特（Conrad Earnest）表示：“98.5%的保健品都是夸大宣传的。”不过有一种东西对某些运动员确实有效，那就是肌酸。在训练中，这种物质有助于合成运送能量的分子腺苷三磷酸（ATP）。伊恩斯特推测，服用肌酸的运动员的成绩至少能提高8%。
另一种有效的营养补充剂是甜菜汁。埃塞克斯大学的研究人员发现，甜菜根的汁液含有硝酸盐成分，能够提升人体内的氧化氮水平，使肌肉更有效地使用氧气。这样的结果就是，这类汁液可以让潜水员的屏气时间延长11%，帮助想要在短距离项目上减少呼吸次数的游泳运动员。
但是，大多数提高运动成绩的药品都有缓慢的副作用。类固醇类药物会引起高血压，心脏瓣膜变厚，降低性欲及生育能力；身体变化则包括女性长胸毛以及男性睾丸缩小；还会使血液中红细胞的数量暴增，血液变稠，增加中风的危险。
一个不确定因素是，有些药物是用来治疗癌症、艾滋病和肌肉萎缩这样的严重疾病，只在患者为主的人群中进行过测试，而这些患者的生长因子和激素水平本就异于正常值。库珀表示，很难知道运动员是在什么身体状态下使用这些药物的。他说：“相对于普通人，顶尖运动员已经有很大的不同了，他们经过了层层选拔，并且接受了大量的训练。”
另外，在健康人身上测试运动员可能使用的兴奋剂剂量及组合是非常不道德的。据此，美国宾夕法尼亚州立大学体育科学荣誉教授查尔斯·耶塞利斯（Charles Yesalis）表示：“不同的类固醇、营养补充剂和特供食品的组合搭配，会带来各种未知的效果。”
基因兴奋剂
最近十年，一直传言某些秘密实验室在研发基因兴奋剂，通过增加或修改基因来提高运动成绩。有些自然变异是运动员梦寐以求的。上世纪60年代，芬兰越野滑雪选手耶罗·门蒂兰塔（Eero Mantyranta）因为携带一个基因，他体内的EPO受体能更有效地运行。2004年，有个小孩上了头条新闻，是因为他有一个突变，使得肌骨素无法合成，使他身材娇小而肌肉发达。而编码血管紧张素转化酶（angotensin-converting enzyme）的基因，则是公认的能提高运动水平的基因，可以增强人的耐力，提升供氧能力和毛细血管密度，改善其他与肌肉生长和力量相关的因素。
随着基因兴奋剂的发展，有朝一日也许能让任何运动员改进自己的DNA。比如，宾夕法尼亚大学的生理学家李·斯文利（Lee Sweeney）曾开展过一项研究，目的是寻找治疗老年人肌肉营养失调的方法。在实验里，研究人员向小鼠插入了一个基因，让IGF1过量表达。结果，这种方法使年轻成年小鼠的肌肉强度提高了14%，堪称老鼠中的“超人”。
其他科研人员则通过药物来激活或关闭基因。2008年，美国索尔克生物研究所的罗纳德·埃文斯（Ronald Evans）及同事研制了一种药物GW1516，它能调整慢肌肉纤维和快肌肉纤维的比例。顾名思义，慢肌肉纤维的收缩比快纤维慢，但在有氧运动时更有效率。埃文斯的团队发现，对实验小鼠使用GW1516并配合锻炼，能使小鼠的耐力增强70%。
然而，埃文斯和斯文利都怀疑，这些疗法是否真的对人类运动员有效。埃文斯说：“在人类中，我想这种药物也会有类似的效果——对于没有接受过训练的人，服药，然后训练，效果可能最明显，但我认为，耐力运动员在身体上已经很强了，所以在他们身上，效果不会很明显。”
基因疗法也有可能有健康风险，包括严重的免疫反应，因为基因的载体通常是病毒， 结果可能很难控制。 卡特林表示：“如果你打算激活一个基因，比如编码EPO的基因，你最好还有能力抑制它。使用基因兴奋剂不是一个好主意，但还是有人去尝试，我对此不会感到奇怪。”
人类2.0
可以提高运动成绩的方法并不是只有药物。外科手术，甚至是技术性扩容也能够帮助运动员突破极限。那些接受过肘关节韧带替换术的棒球运动员声称，经过两年的康复过程之后，他们能够投出更快的球——该手术是用腿或前臂的肌腱来替换受损的肘关节韧带。
然而，纽约特种外科医院的整形外科医师斯科特·罗德欧（Scott Rodeo）则警告，这些故事并没得到科学证实。他说：“实话实说，你认为肘关节变得更好可能只是自我感觉不错。”
替换整个关节部位，对一位顶尖运动员可能不起作用：肌腱过多反而可能松弛，在结构上，人工关节也难与天然关节媲美。而且，在数年的高强度使用下，替换材料也会磨损。不过，罗德欧表示，如果科研人员在实验里对人造皮肤、肌腱以及其他人体替换部件取得了重大进展，以上问题是可以克服的。
迈亚预计，会有更多出人意料的方法，来通过外科手术提升运动成绩。他说：“设象一下使用皮肤移植来增加手指及脚趾之间的蹼，以此增加游泳能力。这些改变生物结构的行为或许为那些急于想超越对手的人提供了一条途径。”
另一个前沿科技就是纳米技术。科研人员已经开始实验携氧纳米粒子的效果，这本是用于急救等紧急情况的。由此，他说：“已经有很多人在讨论这种可能性：在人体中使用一些纳米设备，让人长期保持一定的运动水平。”
机械假肢已经成为现实，比如用于截肢者的猎豹型（cheetah-style）假腿，南非短跑运动员奥斯卡·皮斯托留斯（Oscar Pistorius）就使用这种假肢。已经赢得残奥会金牌的他，在2012年直接参加了奥运会。然而，对于人造肢体是不是确实比血肉四肢有优势，科学家有不同的意见。
英国伯恩茅斯大学的假肢工程师布莱斯·戴尔（Bryce Dyer）指出，尽管皮斯托留斯的弹簧般的假肢能够让他在奔跑时提速，然而也使他在蹲踞式起跑和转弯时处于劣势。“当他跑直线时，他最终能达到自然的协调状态，就像在蹦床上跳跃。但有时他会拐入右侧赛道，因为他不会转弯。”
皮斯托留斯的假腿缺乏人类脚踝的硬度，蹬地时无法产生与人脚一样的应力。为了克服这一点，他以更快的速度翻动双腿。麻省理工学院的生物机械工程师休·赫尔（Hugh Herr）认为：“在生物力学上，这是另一种可以跑得很快的方法，但没有证据表明它更有优势。”
科学技术有可能克服这些问题。赫尔在MIT的实验室目前正在研究仿生学跑步假腿，“展望数十年之后，我想业界能够造出足够复杂的仿生四肢，真正实现生物肢体的功能。那种技术将会是奥运会认可的假肢。没有了运动员必须要像人这种限制，残奥会基本上会变成人与机器协作的运动，就如同赛车驾驶。”
按照赫尔的想法，提升运动成绩的技术会发展到不仅仅是扩展人类的极限，他们还会组织自己的“奥运会”。赫尔表示：“每项技术都可能会发展成新的竞赛项目——加力赛跑、加力游泳、加力攀登，就如同自行车的发明催生了自行车项目一样，我们会看到全新项目的出现。”
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