最近巴黎奥运会吸引了全世界的目光，事实上，运动涉及到从微观分子，到宏观人体，再到运动员群体等不同层级的复杂系统。运动，不只是自上而下的大脑指令，还有肌肉的自组织；从正常运动疲劳到运动伤病的转变，自行车大集团的终点冲刺，都是涌现现象；而运动过程中身体状态的转变，则与临界相变现象密切相关。本文将向大家介绍运动科学中的一系列复杂科学现象。
运动科学是一门年轻而又古老的学科：运动这种行为几乎和人类文明同时诞生，是写入基因的本能，人类展现出力量、速度、耐力、敏捷、技巧，在原始社会中和自然界对抗以繁衍生息；用科学方法研究运动的历史还比较短暂，直到上世纪初期，运动科学才慢慢脱胎于生理学、医学。
运动科学是多学科交叉的领域，也是许多复杂科学现象产生的阵地。我们可以在不同学科视角下研究人体运动时的能量代谢（物理）、生理生化反应（化学）、基因表达与调控（生物），以及运动动作的控制（控制论）等。然而从单一学科、单一尺度的视角并不足以形成对运动行为的全面理解。
运动科学的研究涉及到从微观到宏观的多尺度复杂系统：从微观的分子机制（例如乳酸分子代谢）、细胞层次的功能实现（血红蛋白、线粒体功能等），到更大尺度的肌肉组织、器官系统（神经系统、心肺系统等），再到宏观层次的人体运动控制、运动表现。甚至在更大的尺度上还有运动员个体间、运动员与环境的交互。
运动时的宏观生理状态和功能来自于在不同时空尺度上（从亚细胞水平到整个生物体）的不同结构和过程之间的相互作用。只有复杂科学才能进一步解释生理系统在运动时是如何整合、协调的。
运动时许多复杂科学相关的现象值得关注。接下来我们也将看到复杂科学思想在运动领域的应用，从而让许多运动科学难题迎刃而解。
运动，不只是自上而下的大脑指令，还有肌肉的自组织。
我们经常可以看到运动员惊人的反应速度：羽毛球、乒乓球运动员需要在几百毫秒的时间内判断球的落点，并且快速移动到指定位置精确击球；自行车赛场上时常发生意外摔车事故，有些技术好的运动员可以迅速做出避险动作来进行躲避。在如此短的时间内，大脑是没有办法下达准确指令控制肢体完成上述复杂动作的。快速动作的实现依靠的是肌肉预反射训练（pre-reflex training）形成的自组织。
从正常运动疲劳到运动伤病，涌现何时发生？涌现现象是复杂科学绕不开的话题，在运动中的许多现象也被认为是涌现的一种。运动损伤的复杂科学模型认为，运动伤病是一种涌现。正常情况的运动训练也伴随着肌纤维轻微的撕裂、延迟性肌肉酸痛、代谢废物的堆积，那么正常运动疲劳和伤病的区别是什么？如何识别预测运动损伤？这两个问题的答案都和涌现有关。
运动过程中的临界相变现象。运动过程中时常出现不同身体状态的转变，这里就存在着临界相变现象。在运动员训练的时候十分注重不同“相”的区分：例如耐力运动训练的强度由低到高可以分为，低强度有氧（Aerobic）、中等强度（Moderate）、糖酵解无氧（Glycolic）三个训练区间（三个不同的相）。在不同的训练区间，身体能量代谢、呼吸通气、心率反应特征各不相同。
热力学和熵帮助理解疲劳。前面提到了人类机器论。诚然，人和机器都受热力学基本原理的支配，因此热力学是解释运动中的一些现象的有力武器。我们可以应用热力学中的自由能公式来解释耐力运动中的“心率漂移”现象。
从还原论到复杂适应系统。人们通常认为，最强壮的运动员能够赢得比赛，殊不知在很多运动项目、运动场景下，肌肉力量只是成为冠军的必要因素之一。片面地强调肌肉力量是受到了还原论（Reductionism）思想的影响。倘若运动训练仍由还原主义所主导，无疑丧失了对运动项目复杂性的整体理解。
宏观的运动表现与微观的分子层面之间的鸿沟需要借助复杂科学的思想来填平。例如，我们可以通过测量运动员心肺、血液的指标，甚至可以深入到分子层面去研究一些信号通路的变化，以探索训练和运动表现增强之间的关系（假设也确实观测到了一些相关性）。然而，基于这些观测到的数据，如何说明运动表现增强的内在机制（Underlying mechanism）呢？在我看来，这样的研究面对的是从“宏观到微观再到宏观”的问题。