身体能力がいかに優れたアスリートであっても凌駕できない「代謝の限界（metabolic ceiling）」が存在する。これは、長期間にわたり持続的に消費可能なエネルギー（カロリー）の限界値を指す概念である。この限界値は、摂取した食品を体内でエネルギーに変換する消化管の代謝処理能力に依存している。すなわち、生体のエネルギー供給機関である消化器官が耐えうる最大値であると言える。もしこの限界値を超えてエネルギーを消費した場合、生体は自らの組織を分解してエネルギーを供給することとなる。
数日間にわたり数百kmを走破するウルトラマラソンは、まさにその限界に挑戦する舞台である。参加者たちは単に精神力と体力を試すだけでなく、人間が耐えうる生物学的限界線を越える経験をすることとなる。
米デューク大学とマサチューセッツ大学アマースト校の共同研究チームは、持久力に優れたエリートアスリートを対象に1年間の測定を実施した。その結果、30週以上の長期にわたる代謝の限界は、基礎代謝量（BMR）の2.4倍であったと学術誌「Current Biology」に発表した。
基礎代謝量とは、呼吸や体温調節など生命維持に必要な最小限のエネルギーを指す。通常、1日に消費される総エネルギーの60%から70％が基礎代謝量に該当する。基礎代謝量は身長、体重、年齢、性別、筋肉量などにより個人差が大きく現れる。
従来の研究によれば、短期間であれば生体は基礎代謝量の約10倍までエネルギーを消費できることが示されている。例えば、11時間のアイアンマンレースでは基礎代謝量の9.4倍、25時間のウルトラマラソンでは8.5倍を記録した事例が存在する。
では、長期間にわたり持続可能な代謝限界値はどの程度であろうか。2019年、米国の科学者たちは1週間に250kmずつ20週間走行するアメリカ大陸横断レースの記録を基に、代謝限界は運動期間によって変動するという研究結果を発表した。
それによると、最初の24時間は基礎代謝量の10倍まで消費可能であるが、その後は次第に低下し、28週以降からは基礎代謝量の2.5倍に収束するとのことである。
研究チームは、驚異的な持久力を要する競技を行うトップアスリート14名（女性2名を含む）を対象に、この仮説を検証した。実験にはウルトラマラソン選手やアイアンマンレース選手などが参加し、平均年齢は37歳であった。
研究チームは選手たちに対し、競技およびトレーニング期間中に「二重標識水（Doubly labeled water）」を摂取するよう指示した。二重標識水とは、水分子を構成する水素と酸素をそれぞれ安定同位体に置き換えた水である。これらは代謝過程を経て尿や汗、二酸化炭素として体外に排出されるため、排出量を測定することで消費カロリーを精密に推定することが可能となる。
測定の結果、数日間にわたり競技を行う場合、一部の選手は1日に基礎代謝量の6倍から7倍に相当する7,000から8,000カロリーを消費していた。しかし、期間が長期化するにつれてエネルギー消費量は減少した。1週目には基礎代謝量の3.75倍であったが、12週目には2.57倍に減少し、30週目には2.43倍まで低下した。52週目の平均値は2.39倍であり、理論的限界値とされる2.5倍を超えることはできなかった。研究チームは「これは過酷な環境にあるアスリートでさえも、代謝限界を超えることが極めて困難であることを示している」と言及した。
論文の第一著者であるマサチューセッツ大学アマースト校のアンドリュー・ベスト教授（人類学）は、「短期間に限界を超えることは後の補填が可能であるため成立するが、期間が長くなると生体が自らの組織を破壊するため持続不可能である」と解説している。
また、研究チームは、アスリートが走行や水泳に多大なエネルギーを投じると、無意識に歩行など他の活動に費やすエネルギーを削減することを発見した。これは運動後の睡眠や休息が、生体システムのバランスを維持するために脳が制御する手段であることを示唆している。例えば、ウルトラマラソン選手を対象とした研究では、競技中にテストステロン値が減少することが示されており、エネルギー不足時に身体が生殖機能を抑制することを示している。
ベスト教授は「ほとんどの人はこの代謝限界に到達することはないだろう」とし、「基礎代謝量の2.5倍に到達するには、1年間にわたり1日平均17kmを走行し続ける必要があるが、多くの人はその限界に達する前に負傷するであろう」と指摘した。
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