Fyysinen suorituskyky kylmässä – Helsingin urheilulääkäriasema

Kilpaileminen, harjoittelu ja toimiminen kylmissä olosuhteissa haastaa ihmiskehoa, ja erityisesti kylmälle altistuvien urheilijoiden, valmentajien ja sotilaiden tulee olla tietoisia kylmyyden aiheuttamista haasteista. Kehon viileneminen aktivoi lämpöä tuottavia ja lämmönpoistoa vähentäviä mekanismeja, jotka auttavat ylläpitämään kehon ydinlämpötilaa. Tämän lisäksi kylmyyden vaikutukset voidaan havaita laaja-alaisesti myös fyysisessä suorituskyvyssä: sekä kestävyyssuorituskyky että voima- ja nopeusominaisuudet heikkenevät kehon kylmetessä. Ymmärtämällä kylmyyden aiheuttamat fysiologiset vasteet ja niiden merkityksen fyysiselle suorituskyvylle voidaan tukea suorituskykyä kylmässä sekä minimoida kylmyyden haittavaikutukset.

Kylmän akuutit vaikutukset

Ihminen pyrkii säilyttämään kehon ydinlämpötilan noin 37 °C lämpötilassa. Kylmäaltistuksen aikana lämmönpoisto voi kuitenkin ylittää lämmöntuotannon kapasiteetin, mikä johtaa kehon ydinlämpötilan laskuun. Tämän laskun suuruuteen vaikuttavat lämpötasapainon osatekijät: lämmönsiirto ihmisen ja ympäristön välillä (säteily, konvektio, johtuminen ja haihtuminen) sekä ihmisen oma metabolinen lämmöntuotto (fyysinen aktiivisuus, lihasvärinä ja aineenvaihdunta).¹

Laskevan ihon- ja ydinlämpötilan myötä kehossa aktivoituvat ydinlämpöä suojelevat mekanismit, jotka lisäävät lämmöntuottoa tai vähentävät lämmön menettämistä ympäristöön. Kehon ääreisosien verenkierron supistuminen on ensivaiheessa aktivoituva lämmön menettämistä vähentävä vaste. Verenkierron vähentyessä raajojen lämpötila laskee, mikä vähentää ympäristön ja ihon välistä lämpötilaeroa ja edelleen lämmön poistumista ympäristöön.¹ Jos tämä ei riitä suojelemaan kehon ydinlämpötilaa, tehostetaan kehon omaa lämmöntuottoa lihasvärinän ja aineenvaihdunnan kiihdyttämisen avulla. Lihasvärinän avulla lämmöntuotto voikin jopa viisinkertaistua lepotilaan verrattuna, mutta aineenvaihdunnan muutoksilla on huomattavasti vähäisempi merkitys.²

Suurin vaikutus voidaan kuitenkin saada ihmisen toiminnassa tapahtuvilla muutoksilla. Edellä mainittujen tahdosta riippumattomien lämmönsäätelymekanismien lisäksi kylmälle altistuvat tavanomaisesti lisäävät fyysistä aktiivisuuttaan vapaaehtoisesti lämmöntuoton lisäämiseksi joko liikunnalla tai muulla spontaanilla liikkeellä.¹ Intensiivisen liikunnan aikana kehon lämmöntuotto voi kasvaa 15—20-kertaiseksi ollen näin ihmisen tehokkain lämmöntuotannon keino.²

Fyysinen suorituskyky kylmässä

Kehon kudosten viileneminen aiheuttaa fysiologisia muutoksia, jotka voivat heikentää verenkiertoelimistön toimintaa, energiaravintoaineiden saatavuutta, hermosolujen johtumisnopeutta, sekä lihasten supistusvoimaa, tehoa ja taloudellisuutta heikentäen kestävyyssuorituskykyä sekä voiman- ja tehontuottoa.³

Kestävyyssuorituskyky

Vaikka viileä ympäristö on useimmiten optimaalinen kestävyyssuorituskyvyn kannalta, liiallinen kylmyys voi aiheuttaa selkeän laskun suorituskyvyssä, kun hapenkulutus vakioteholla nousee ja aika uupumukseen lyhenee.^4,5 Kylmyyden aiheuttama hapenkulutuksen nousu johtaa liikunnan taloudellisuuden heikkenemiseen, jolloin saman tehon tai nopeuden ylläpitämiseen kuluu enemmän happea ja energiaa.⁸ Taloudellisuuden ylläpitäminen riittävän lämpimällä pukeutumisella luo omat haasteensa, sillä jokainen ylimääräinen vaatekilo lisää hapenkulutusta n. 3 % ja ylimääräinen vaatekerrasto n. 4 %.⁹ Kestävyyslajien urheilijoiden onkin tärkeää löytää pukeutumisen tasapaino, jolla voidaan tukea optimaalista ydinlämpötilaa ilman, että liikkuminen hankaloituu liiallisesti. Laboratorio-olosuhteissa tehtyjen tutkimusten perusteella shortseihin ja t-paitaan pukeutuneille liikkujille optimaalinen kestävyyssuorituskykyä tukeva lämpötila on noin 10 °C⁴, kun taas hiihtoasuun ja pitkään alusasuun pukeutuneille tämä lämpötila on noin -4 °C.⁵ Tulosten perusteella onkin selvää, että ympäristön lämpötila ei ole ainoa huomioitava muuttuja kestävyyssuorituskyvyn kannalta – vaatetus, liikunnan intensiteetti, liikuntamuoto ja muut ympäristön olosuhteet kuten tuulennopeus, kosteus ja sade kaikki vaikuttavat osaltaan lämpötasapainoon, fysiologisiin vasteisiin ja kestävyyssuorituskykyyn kylmässä.

Korkeampi liikunnan intensiteetti sallii siis kevyemmän pukeutumisen liikunnan suuren lämmöntuoton vuoksi. Siitä huolimatta turhaa kylmyydelle altistumista on syytä välttää ennen liikunnan – ja lämmöntuoton – alkamista. Lämpimissä sisätiloissa pysyminen ennen kuormituksen alkua voi ehkäistä lihasten lämpötilan turhaa laskua mahdollistaen paremman liikunnan taloudellisuuden ja alhaisemman hapenkulutuksen heti suorituksen alussa.¹⁰ Jos altistuksen välttäminen ei ole mahdollista, eristävä pukeutuminen tai lämmitettävät asut voivat olla toimiva vaihtoehto kehon lämpötilan säästämiseksi. Lisäksi kylmässä lämmittelyn merkitys korostuu, ja kylmissä olosuhteissa voidaan tarvita pitkäkestoisempaa tai kovatehoisempaa lämmittelyä kehon suorituskykyisyyden varmistamiseksi.¹⁰

Voima, teho ja koordinaatiokyky

Ympäristön lämpötilan vaikutukset lihaksen voimantuotto-ominaisuuksiin ovat selkeät: lihasten lämpötilan lasku heikentää sen voiman- ja tehontuottokykyä. Jo pienet systeemiset tai paikalliset muutokset kudosten lämpötilassa saavat aikaan havaittavia vaikutuksia.³ Heikentyneitä voimantuotto-ominaisuuksia kompensoidaan rekrytoimalla useampia motorisia yksiköitä tuottamaan vaadittava voima, mikä lisää energiankulutusta. Taloudellisuus heikkenee entisestään lisääntyneen vastavaikuttajalihasten aktivaation vuoksi, kun tuotetaan varsinaista tarkoitettua liikettä vastustavaa voimaa. Kylmän lihaksen voima-nopeuskäyrässä voidaan lisäksi havaita siirtymä vasemmalle, mikä käytännössä tarkoittaa sitä, että samalla liikenopeudella kyetään tuottamaan vähemmän voimaa, ja toisaalta sitä, että sekä maksimivoima että maksiminopeus ovat kylmässä alhaisemmat.³ Voiman ja tehon lisäksi myös tasapaino ja koordinaatiokyky heikkenevät kylmässä, mikä voi vaikuttaa suorituskyvyn lisäksi loukkaantumisriskiin.³ Voima-, nopeus- ja teho-ominaisuuksia vaativissa lajeissa tulisikin pyrkiä ylläpitämään lihasten lämpötila hyvällä lämmittelyllä, passiivisilla lämmitysmenetelmillä ja eristävällä vaatetuksella, kun kilpaillaan tai harjoitellaan viileissä olosuhteissa.

Kylmä ympäristön lämpötila voi heikentää suorituskykyä laaja-alaisesti sekä kestävyys- että voima- ja nopeussuorituksissa.

Lisääntynyt ilman tai veden virtaus iholla lisää lämmönpoistoa konvektiolla. Virtauksen kasvu voi johtua ympäristöolosuhteiden muutoksesta (esim. suurempi tuulennopeus) tai liikkumisnopeuden muutoksesta (esim. kovavauhtisempi juokseminen tai uiminen). Pakkasen purevuutta voi arvioida esimerkiksi ns. viimaindeksin avulla, joka huomio ympäristön lämpötilan lisäksi tuulennopeuden. Tuulen vaikutukseen voidaan kuitenkin merkittävästi vaikuttaa esimerkiksi tuulenpitävällävaatetuksella.

Sade voi lisätä lämmönpoistoa merkittävästi viileissä olosuhteissa, kun ihon ja vaatteiden lämmöneristyskyky heikkenee kastumisen myötä. Kuivana pysyminen on ensisijaisen tärkeää lämpötasapainon ylläpitämiseksi. Myös hikoilun myötä muodostunut kosteus voi aiheuttaa lämmöneristyskyvyn heikkenemisen, minkä vuoksi liian lämmin pukeutuminen voi johtaa lopulta kosteuden lisääntymiseen ja kehon viilenemiseen.

Altistuksen rajoittaminen ennen suorituksen alkamista ehkäisee tarpeetonta kehon viilenemistä ja voi tukea näin ollen suorituskykyä. Jos sisätiloissa oleskelu ei ole mahdollista, voidaan käyttää lämpimiä ja eristäviä vaatteita, lämmitettäviä asuja tai lämpöpakkauksia kehon ja lihasten lämpötilan ylläpitämiseksi, kunnes suoritus – ja tehokas lämmöntuotanto – alkaa.

Eristävät vaatekerrastot ehkäisevät lämmön poistumista, mutta voivat osaltaan haitata liikkumista, erityisesti raskaiden suojavarusteiden osalta. Vaatetuksen laatu on keskeisessä roolissa lämmönsäätelyssä kylmässä harjoiteltaessa, erityisesti silloin, kun kangas kastuu. Lämmön ja suorituskyvyn ylläpitämiseksi suositellaan seuraavia kangasominaisuuksia: tehokas kosteudensiirto, nopea kuivumisnopeus, kosteana lämmin ja vähäinen eristävyyden heikkeneminen kosteana

Kovatehoinen liikunta tuottaa enemmän lämpöä ja vähentää vaatetuksen tarvetta. Matalatehoisen liikunnan aikana tarvitaan enemmän vaatetta lämpötasapainon ylläpitämiseksi. Esimerkiksi raskaan varustuksenkantaminen nostaa suorituksen intensiteettiä ja lämmöntuotantoa.

Liikuntamuoto voi vaikuttaa lämpötasapainoon muuttuvien lämmönsiirtomekanismien kautta. Lajeissa, joissa nopeudet ovat suuria (esim. hiihto tai pyöräily), on suurempi konvektion (virtauksen) aiheuttama lämmönsiirtyminen, ja vesilajeissa lämpöä menetetään veden suuren lämmönjohtavuuden (n. 25-kertainen ilmaan verrattuna) vuoksi.

Pitkäkestoisempi ja / tai intensiivisempi lämmittely voi edesauttaa kehon ja lihasten optimaalisen lämpötilan saavuttamista kylmissä olosuhteissa.

Paleltumat ja hypotermia

Suorituskyvyn lasku ei ole ainoa – eikä välttämättä vakavin – kylmyyden haittavaikutus. Kylmään liittyvät oireet ja sairaudet vaihtelevat vakavuudeltaan lievistä paleltumista aina hengenvaaralliseen hypotermiaan, mutta asianmukaisella vaatetuksella ja varustuksella sekä riittävillä tiedoilla ja taidoilla voidaan kylmissäkin olosuhteissa toimia turvallisesti. On kuitenkin huomioitava, että kylmyyden riskit realisoituvat eri tavoin eri yksilöiden välillä, ja toiset ovat alttiimpia kylmyyden haitoille kuin toiset.⁷

Paleltumat ovat yleisimpiä kylmyyden aiheuttamia terveyshaittoja urheilijoilla ja sotilailla. Paleltuma syntyy, kun kudos jäätyy sen lämpötila laskiessa alle -0,5 °C:een. Sormet, varpaat, nenä ja korvat ovat erityisen paleltumisherkkiä kehonosia, sillä ne sijaitsevat kaukana kehon ytimestä, ja niissä on voimakas verenkiertoa supistava vaste kylmyydelle, mikä vähentää veren ja lämmön saatavuutta. Paleltumien ensisijaiset syyt ovat vajavaisessa pukeutumisessa ja varusteissa sekä tiedon puutteessa kylmäaltistuksessa toimimisessa.⁶ Paleltumien riski on erityisen suuri, kun käsitellään lämpöä hyvin johtavia materiaaleja, kuten metallia, kylmässä, sillä kosketuksessa kudos viilenee ja jäätyy nopeasti tuottaen paleltumavamman.⁷ Ensihoitona paleltumalle on kudoksen lämmittäminen. Kudoksen lämmittäminen tulee tehdä vasta, kun on riittävä varmuus siitä, että uudelleen jäätymistä ei pääse tapahtumaan, sillä kudoksen sulaminen ja uudelleen jäätyminen on usein haitallisempaa kuin lämmittämisen viivästyminen. Paleltumien lämmittämiseen suositellaan käytettäväksi lämmintä, noin 37 °C vettä.⁶

Hypotermia syntyy kehon ydinlämpötilan laskiessa alle 35,0 °C, ja se voidaan jakaa vaikeusasteeltaan lievään (35—32 °C), keskivaikeaan (32—28 °C) ja vaikeaan (< 28 °C) hypotermiaan. Lievässä hypotermiassa päällimmäisinä oireina havaitaan voimakasta lihasvärinää sekä sosiaalista vetäytymistä ja muita käytöksen muutoksia. Hypotermian syvetessä keskivaikeaksi lihasvärinä vähenee ja loppuu lopulta kokonaan, minkä lisäksi altistunut muuttuu sekavaksi ja tajunnantaso laskee. Sydänlihaksen kylmetessä kasvaa myös riski vaarallisille sydämen rytmihäiriöille. Vaikeassa hypotermiassa altistunut on usein tajuton, ja vakavien rytmihäiriöiden sekä kuoleman riski suurenee entisestään.⁶ Oireiden tunnistaminen ja ennakointi ovat tärkeässä roolissa hypotermian hoidossa. Lievissä tapauksissa kehon voidaan antaa lämmetä passiivisesti lihasvärinän ja kehon oman lämmöntuoton avulla lämpimässä ja kuivassa ympäristössä, mutta vakavammat tapaukset voivat vaatia aktiivisia lämmittämisen menetelmiä, kuten lämpöpeitteitä, sekä sairaalahoitoa. Keskivaikeasti ja vaikeasti hypotermisen potilaan turhaa liikuttelua tulee välttää, sillä se voi lisätä rytmihäiriön riskiä.⁶ Hypotermian riski on yleensä vähäinen intensiivisen liikunnan aikana, mutta lajeissa, joissa lämmönpoisto on erityisen runsasta, kuten avovesiuinnissa tai pyöräilyssä sateisella ja kylmällä säällä, hypotermia voi yllättää myös kisatilanteessa.¹¹

Kylmään sopeutuminen

Kylmään sopeutumisen vasteet eivät ole kaikilta osin täysin selviä, mutta tutkimuskirjallisuudessa on esitetty kolmea erillistä sopeutumisvastetta: tottuminen, metabolinen sopeutuminen ja eristävä sopeutuminen. Tottuminen on yleisin sopeutumisvaste pitkäkestoiselle tai toistuvalla kylmäaltistukselle. Tottumisen myötä voidaan havaita lihasvärinän ja ääreisverenkierron supistumisen vähenemistä, mitkä osaltaan vähentävät lämmöntuottoa ja lisäävät lämmön menettämistä ympäristöön. Näiden epäjohdonmukaisilta kuulostavien sopeutumisvasteiden myötä, ihmisen lämpömukavuus kuitenkin lisääntyy, kun raajojen lisääntynyt verenkierto pitää yllä niiden lämpötilaa ja epämukavalta tuntuvat lihasvärinät vähenevät. Metabolisen sopeutumisen myötä ihmisen lämmöntuotto lisääntyy suuremman aineenvaihdunnan aktiivisuuden vuoksi, ja eristävän sopeutumisen myötä ääreisverenkierron supistumisvaste voimistuu, mikä vähentää lämmön menettämistä. On epäselvää, mitkä tekijät vaikuttavat erilaisten sopeutumisvasteiden syntyyn, mutta on esitetty, että esimerkiksi ydinlämpötilan muutos altistuksen aikana voi vaikuttaa siihen, millaisia sopeutumisvasteita muodostuu.¹ Kylmäsopeutumisen vaikutusta suorituskykyyn kylmässä ei ole juuri tutkittu eikä tällä hetkellä ole tiedossa, että minkäänlainen kylmäsopeutuminen parantaisi suorituskykyä kylmässä.

Yleisin sopeutumisvaste on tottuminen, mikä vähentää kehon lihasvärinää ja ääreisverenkierron supistumista kylmäaltistuksessa. Tämä heikentää lämmöntuottoa ja lisää lämmön menettämistä, mutta voi lisätä lämpömukavuutta.

Sekä metabolista sopeutumista, jossa lämmöntuotanto lisääntyy, että eristävää sopeutumista, jossa lämmönpoisto vähenee, on ehdotettu mahdollisiksi sopeutumisvasteiksi joissakin tutkimuksissa. Näiden sopeutumisvasteiden vaikutus koko kehon lämpötasapainoon on kuitenkin vähäinen. On esitetty, että sopeutumisvasteen tyyppi voi riippua ydinlämpötilan laskun suuruudesta, tai siitä, onko kylmäkuormitus kompensoitavissa – eli voidaanko ääreisverenkierron ja lämmöntuoton mekanismeille ylläpitää ydinlämpötilaa.

Vähäisempi ääreisverenkierron supistuminen auttaa ylläpitämään korkeampaa kudosten lämpötilaa raajoissa, mikä voi lisätä lämpömukavuutta ja sormien toimintakykyä. Samalla menetetään kuitenkin enemmän lämpöä, kun ihon ja ympäristön lämpötilaero kasvaa.

Kylmään sopeutuneilla yksilöillä lihasvärinä on usein vähäisempää tai sen alkaminen tapahtuu alhaisemmassa lämpötilassa. Tämä vähentää lämmöntuottoa, mutta voi lisätä mukavuutta epämukavan lihasvärinän vähentyessä.

Lihasvärinän ja ääreisverenkierron mukautuminen voi lisätä mukavuutta kylmässä oleskellessa.

Eristävän sopeutumisen myötä lisääntyvä ääreisverenkierron supistuminen pienentää kehon ääreisosien ja ympäristön välistä lämpötilaeroa, mikä vähentää lämmön menettämistä ympäristöön.

Lisääntynyt metabolista lämmöntuottoa ruskean rasvakudoksen (BAT) avulla on ehdotettu pitkäaikaisen tai toistuvan kylmäaltistuksen sopeutumisvasteeksi. Sen vaikutus on joka tapauksessa vähäinen, sillä BAT muodostaa alle 1 % ihmisen kehon massasta ja tuottaa alle 1 % koko kehon lämmöstä. Muiden kudosten, kuten lihasten, arvellaan olevan pääasiallisesti vastuussa metabolisesta sopeutumisesta ja lisääntyneestä lämmöntuotosta.

Kylmyys asettaa ainutlaatuisia haasteita urheilijoille, valmentajille ja sotilaille, joihin voidaan kuitenkin varautua oikeanlaisella vaatetuksella, varusteilla ja tietämyksellä. Vaikka kylmäsopeutuminen voi parantaa mukavuutta ja sietokykyä, sen vaikutus suorituskykyyn on mahdollisesti vähäinen, mutta vähintäänkin epäselvä. EP2 FINLAND -ohjelman myötä saatavilla on asiantuntevaa apua kylmäaltistukseen, ja näiden saatavilla olevien resurssien käyttäminen voi tasoittaa edessä olevaa tietä kohti parempaa suorituskykyä.

Lähteet:

1. Castellani, J. & Young, A. 2016. Human physiological responses to cold exposure: Acute responses and acclimatization to prolonged exposure. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 196, 63—74.
2. Haman, F. & Blondin, D. 2017. Shivering thermogenesis in humans: origin, contribution and metabolic requirement. Temperature 4(3), 217—226.
3. Castellani, J. & Tipton, M. 2015. Cold Stress Effects on Exposure Tolerance and Exercise Performance. Comprehensive Physiology 6, 443—469.
4. Galloway, S. & Maughan, R. 1997. Effects of ambient temperature on the capacity to perform prolonged cycle exercise in man. Medicine and Science in Sport and Exercise 29(9), 1240—9.
5. Sandsund, M., Saursaunet, V., Wiggen, Ø., Renberg, J., Færevik, H., & van Beekvelt, M. C. P. 2012. Effect of ambient temperature on endurance performance while wearing cross-country skiing clothing. European Journal of Applied Physiology, 112(12), 3939–3947.
6. Fudge, J. Exercise in the Cold: Preventing and Managing Hypothermia and Frostbite Injury. Sports Health 8(2), 133—139.
7. Haman, F., Souza, S. C. S., Castellani, J. W., Dupuis, M. P., Friedl, K. E., Sullivan-Kwantes, W., & Kingma, B. R. M. 2022. Human vulnerability and variability in the cold: Establishing individual risks for cold weather injuries. Temperature 9(2), 158–195.
8. Oksa, J., Kaikkonen, H., Sorvisto, P., Vaappo, M., Martikkala, V., & Rintamäki, H. 2004. Changes in maximal cardiorespiratory capacity and submaximal strain while exercising in cold. Journal of Thermal Biology 29(7-8), 815–818.
9. Rintamäki, H. 2007. Performance and energy expenditure in cold environments. Alaska medicine, 49(2), 245–246.
10. Kruk, B., Pekkarinen, H., Harri, M., Manninen, K., & Hanninen, O. 1990. Thermoregulatory responses to exercise at low ambient temperature performed after precooling or preheating procedures. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology 59(6), 416–420.
11. Brannigan, D., Rogers, I. R., Jacobs, I., Montgomery, A., Williams, A., & Khangure, N. 2009. Hypothermia Is a Significant Medical Risk of Mass Participation Long-Distance Open Water Swimming. Wilderness & Environmental Medicine, 20(1), 14–18.
12. Gordon K, Blondin DP, Friesen BJ, Tingelstad HC, Kenny GP, Haman F. 2019. Seven days of cold acclimation substantially reduces shivering intensity and increases nonshivering thermogenesis in adult humans. Journal of Applied Physiology 126(6), 1598-1606.
13. Gatterer, H., Dünnwald, T., Turner, R., Csapo, R., Schobersberger, W., Burtscher, M., Faulhaber, M., & Kennedy, M. D. (2021). Practicing Sport in Cold Environments: Practical Recommendations to Improve Sport Performance and Reduce Negative Health Outcomes. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(18), 9700.

Kirjoittajat:

Jere Borgenström, LitM;
Juha Peltonen, LitT, dosentti
Christina Kuorelahti, LitT
Dominique Gagnon, LitT, Adjunct Professor