Изменения в опорно-двигательной и других системах организма при физической нагрузке

Регулярные физические нагрузки увеличивают прочность костной ткани, повышают эластичность мышечных сухожилий и связок, уве­личивают выработку внутрисуставной (синовиальной) жидкости. Все это способствует возрастанию амплитуды движений (гибкости). За­метные изменения происходят и в скелетных мышцах. За счет увели­чения количества и утолщения мышечных волокон происходит рост силовых показателей мышц. У спортсменов и у не занимающихся фи­зическими упражнениями они существенно различаются (табл. 4.4).

Подобные различия достигаются и за счет совершенствования нервно-координационного обеспечения работы мышц — способнос­ти к одновременному участию в отдельном движении максимального количества мышечных волокон и полному и одновременному их рас­слаблению. При регулярных физических нагрузках увеличивается способность организма откладывать в мышцах (и печени) запас угле­водов в виде гликогена и тем самым улучшать так называемое ткане­вое дыхание мышц. Если в среднем величина этого запаса составляет у нетренированного человека 350 г, то у спортсмена она может дости­гать 500 г. Это повышает их потенциальные возможности к проявле­нию не только физической, но и умственной работоспособности.

4.2. Обмен веществ и энергии в покое и при различных нагрузках

Единство организма человека с внешней средой, нормальное осущест­вление организмом своих жизненных функций проявляется прежде всего в непрекращающемся обмене веществ и энергии.

Соотношение процессов ассимиляции и диссимиляции, накопле­ния и расхода энергии различно при покое, умственном труде и при физических нагрузках разного объема и интенсивности.

4.2.1. Обмен веществ

Всякая деятельность человека связана с расходом энергии, а следова­тельно, с необходимым обменом веществ. Обменные процессы про­текают очень интенсивно. Почти половина тканей тела обновляется или заменяется полностью в течение трех месяцев (за 5 лет учебы ро­говица глаза у студентов сменяется 350 раз, а ткани желудка обновля­ются около 500 раз). Для нормального протекания этих процессов требуется расщепление сложных органических веществ, поступаю­щих в организм человека.

Такими веществами, имеющими наибольшее значение, являются белки, углеводы, жиры (при участии воды, минеральных солей, вита­минов). Не все они в одинаковой степени участвуют в энергетическом обеспечении различных видов жизнедеятельности человека, различ­ных проявлений его двигательной активности.

Белки являются основным строительным материалом, из которого построены клетки всех тканей организма. Белки состоят из разнооб­разных белковых элементов — аминокислот. В состав клеток живого организма входит более 20 типов аминокислот. Они делятся на неза­менимые, получаемые только с пищей, и заменимые, которые могут быть синтезированы в организме из других аминокислот.

Белки, поступающие с пищей, делятся на две группы: полноцен­ные, содержащие все незаменимые кислоты, и неполноценные, в со­ставе которых отсутствуют некоторые незаменимые аминокислоты. Все это следует знать при подборе белковых продуктов питания.

Основным источником полноценных белков служат животные бел­ки. Растительные белки, за редким исключением, неполноценные. Недостаток белков в пище невосполним. Внутренних резервов для их замены в организме нет. В то же время при длительном голодании ор­ганизма, когда истощаются запасы углеводов и жиров, белки могут ис­пользоваться как источник энергии. При окислении 1 г белка выделя­ется 4,1 ккал. В виде запасов белки в организме не откладываются.

Потребность в белковой пище особенно велика у молодого расту­щего организма, у занимающихся физическими упражнениями, что связано с необходимостью роста мышечной массы.

Углеводы, к которым относятся глюкоза, животный крахмал — гли­коген, используются организмом преимущественно как основной ис­точник энергии (1 г углеводов дает 4,1 ккал). Особенно интенсивно углеводы используются мышцами и клетками головного мозга. Если с пищей поступает недостаточное количество углеводов, то они синте­зируются из жиров и белков. Излишки превращаются в печени и мышцах в гликоген и там откладываются (депонируются). Углеводы в виде глюкозы постоянно содержатся в крови в количестве (в норме) от 0,08% до 0,12%. А перед интенсивной физической или умственной работой рефлекторно повышается количество глюкозы в крови. Ис­следования показали, что особенно много углеводов потребляется мышцами при физической работе. В то же время интересно отметить, что содержание глюкозы в крови у студентов перед экзаменом такое же, как у боксера перед боем.

При длительной интенсивной физической работе, равно как и при умственной, количество углеводов в крови, печени и мышцах истоща­ется. Уменьшение концентрации глюкозы в крови до 0,07% (гипогли­кемия) снижает мышечную и умственную работоспособность. Сниже­ние концентрации до 0,06% приводит в большинстве случаев к невозможности продолжения физической и умственной деятельности. Однако у тренированных спортсменов наблюдается способность продолжать физическую работу при снижении концентрации глюкозы в крови даже до 0,04%, что указывает на высокие резервные возможнос­ти организма тренированного человека. Источниками углеводов явля­ются почти исключительно растительные продукты (в картофеле со­держится 18% углеводов, в изюме — до 65%, в меде — 76%).

Жиры обладают высокой энергетической ценностью — 1 г жиров при расщеплении выделяет 9,3 ккал. Однако жиры как энергетический ма­териал в обычных условиях используются только сердечной мышцей: 67% потребляемого сердцем кислорода расходуется на окисление жир­ных кислот. Скелетные мышцы начинают использовать жиры в качест­ве источника энергии только после длительной, интенсивной работы, когда запасы углеводов истощаются и организму грозит «энергетичес­кий кризис». При голодании жировые запасы также служат источником углеводов. Регулярные активные занятия спортом, особенно цикличес­кими видами упражнений (ходьба и бег, ходьба и бег на лыжах, на конь­ках, плавание и др.), активизируют в организме обмен жиров, препят­ствуют накоплению излишнего количества жировой ткани, которое вредно отражается на состоянии здоровья и работоспособности.

В большом количестве жиры содержатся в молочных и некоторых растительных продуктах: в 100 г топленого и растительного масла — 95 г жира; сметаны — 24 г, свинины жирной — 37 г, баранины — 29 г.

Обмен воды и минеральных веществ. Человеческий организм на 60— 65% состоит из воды. Многочисленные химические превращения ве­ществ в клетках происходят только в водных растворах. Организм по­стоянно теряет воду, которая должна пополняться в среднем на 1,5—2,5 л в сутки в зависимости от роста, веса, внешней температуры и других факторов.

Сознательные нарушения водного баланса (при сгонке веса неко­торыми спортсменами и по другим причинам) чреваты серьезными нарушениями внутренних механизмов обмена веществ и нежелатель­ны для нормальной жизнедеятельности организма.

Минеральные соли способствуют поддержанию осмотического дав­ления в клетках и биологических жидкостях, участвуют в обеспечении постоянства внутренней среды организма, в протекании химических процессов обмена веществ и энергии. Почти все необходимые соли поступают в достаточном количестве при правильном сбалансиро­ванном питании. Не хватает только хлорида натрия — поваренной со­ли, которая обычно в небольших количествах добавляется в пищу.

Витамины и их роль в обмене веществ. Значение витаминов состоит в том, что, присутствуя в организме в ничтожных количествах, они регу­лируют реакции обмена веществ, свертываемость крови, рост и разви­тие организма, сопротивляемость инфекционным заболеваниям. Осо­бенно важна витаминизация в питании молодого организма и тех взрос­лых, чья деятельность связана с большими физическими нагрузками, в том числе и при занятиях спортом. Как правило, им приходится обра­щать особое внимание на наличие в питании витаминов. Витаминная недостаточность, как правило, сказывается в ранний весенний период. Однако при ее восполнении, при дополнительной витаминизации, не следует злоупотреблять синтетическими препаратами.

4.2.2. Обмен энергии. Энергозатраты

Обмен веществ между организмом и внешней средой сопровождается обменом энергии. Важнейшей физиологической константой организ­ма человека является то минимальное количество энергии, которое человек расходует в состоянии полного покоя. Эта константа называ­ется основным обменом. Величина его зависит от массы тела: чем она больше, тем больше обмен, но эта зависимость не прямолинейна.

Потребность организма в энергии оценивается в килокалориях. Естественно, эта потребность зависит от целого ряда факторов: уров­ня основного обмена, интенсивности выполняемой работы и др. Со­отношение количества энергии, поступившей в организм с пищей и израсходованной, называется энергетическим балансом, и находится он в тесной зависимости от характера жизнедеятельности.

Энергетический баланс в жизни современного человека очень ча­сто существенно нарушается. В экономически развитых странах за последние 100— 150 лет удельный вес мышечной работы как генерато­ра энергии, используемой человеком, сократился почти в 200 раз, что привело к снижению энергозатрат на мышечную деятельность. Дефи­цит энергозатрат, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма у городского населения, составляет около 500—750 ккал в сутки. Так, если минимальная величина суточных энергозатрат в нор­ме составляет 2950—3850 ккал (конечно, в зависимости от возраста, пола и массы тела), то из них на мышечную деятельность должно рас­ходоваться не менее 1200—1900 ккал. Остальные энергозатраты обес­печивают поддержание жизнедеятельности организма в состоянии покоя, нормальную деятельность систем дыхания и кровообращения, обменные процессы и т.д. (энергия основного обмена).

Расход энергии тесно связан с особенностями различных физиче­ских упражнений. Как известно, значительная группа разнообразных спортивных дисциплин носит циклический характер, т.е. с повторяющейся биомеханической последовательностью выполнения (бег, пла­вание и т.п.). В то же время существует большая группа видов спорта и отдельных упражнений, особенностью которых является нестан­дартность исполнения — ациклические упражнения. Это различные единоборства, спортивные игры, гимнастика и т.д. Подобное много­образие характера движений не всегда позволяет точно определить их мощность (в кг/м) и соответственно расход энергии. Это легче вы­явить в циклических видах и сложнее в ациклических упражнениях (хотя и возможно в лабораторных условиях).

При физических нагрузках циклического характера для определе­ния особенностей расхода энергии спортивные физиологи ориенти­руются на зоны относительной мощности выполнения отдельных уп­ражнений, приведенные в табл. 4.5. Физиологические особенности выработки и расхода энергии организмом связаны с биохимическими процессами на уровне клетки. От этих процессов зависит методика подбора и применения отдельных тренировочных упражнений, ха­рактер их выполнения на учебно-тренировочных занятиях, содержа­ние разминки на соревнованиях и т.д. В контексте этих процессов ста­новятся понятными многие закономерности (и неизбежность, даже необходимость!) появления некоторых неприятных ощущений на ди­станциях и особенно на их финишных отрезках.

Итак, мы подошли к ключевым понятиям и явлениям: анаэробно­го (бескислородного) и аэробного (кислородного) процессов выра­ботки энергии в клетках нашего организма и расхода этой энергии в отдельных физических упражнениях.

Анаэробный процесс. Непосредственным источником энергии в клетках при мышечном сокращении служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В результате биохимических превращений трех ти­пов — фосфогенного, лактатного и окислительного высвобождается энергия, необходимая для сокращения мышц. Фосфогенный (без уча­стия кислорода) включается первым и разряжается очень быстро — за 5—10 с на 90—95%. Лактацидный источник энергии включается за фосфогенным и примерно втрое слабее его. Зато емкость этого источ­ника бескислородного обмена в организме вдвое больше, и запас его исчерпывается только к концу 2-й минуты непрерывной работы.

По мере расходования лактацидного источника в мышцах и крови накапливаются продукты распада — молочная кислота (лактат). Для ее ликвидации и восстановления АТФ требуется кислород, но его практически нет, и образуется кислородный долг. Величина макси­мально возможного кислородного долга характеризует анаэробную производительность организма. У не занимающихся спортом она ко­леблется от 4 до 10 л, а у спортсменов — от 15 до 22 л. Чем выше кон­центрация лактата, тем сильнее ощущается утомление, преодоление которого требует волевого усилия. Физически тренированные люди могут проявлять это усилие в большем диапазоне, так как они выра­ботали на тренировках большую способность к перенесению высокой концентрации лактата и преодолению связанных с нею сдвигов в кис­лотно-щелочном равновесии в организме.

Аэробный (окислительный) процесс происходит параллельно. Но в связи с тем, что на первых двух минутах напряженной физической работы усиление дыхательной, сердечной деятельности и общего кро­вотока осуществляется с некоторым запозданием, этот процесс про­является незначительно. Только к концу 3-й минуты он приближает­ся к максимальному уровню потребления кислорода (МПК) данного человека. Все эти процессы анаэробного и аэробного обмена имеют свое яркое проявление при характеристике упражнений, относящих­ся к различным относительным зонам мощности: максимальной, суб­максимальной, большой и умеренной (табл. 4.5).

Эти четыре зоны относительной мощности предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, сред­ние, длинные и сверхдлинные.

В чем же суть разделения физических упражнений по зонам отно­сительной мощности и как это группирование дистанций связано с энергозатратами при физических нагрузках разной интенсивности?

Во-первых, мощность работы прямо зависит от ее интенсивности. Во-вторых, высвобождение и расход энергии при преодолении дис­танций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно отличающиеся физиологические характеристики (табл. 4.6.).

Зона максимальной мощности. В ее пределах выполняется работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой рабо­те не освобождается столько энергии в единицу времени, сколько при работе с максимальной мощностью. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос (долг) организма удовлетво­ряется уже после работы. Дыхание ограничено — спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Из-за кратковремен­ности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сер­дечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не ус­певает вырасти систолический объем крови в сердце.

Зона субмаксимальной мощности. В мышцах протекают не только анаэробные процессы, но и процессы аэробного окисления, доля ко­торого увеличивается к концу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также возрастает до само­го конца работы. Все время прогрессирует кислородная задолжен­ность. Кислородный долг к концу работы становится даже больше, чем при максимальной мощности. В крови происходят большие хи­мические сдвиги.

Зона большой мощности. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они все же несколько отстают от анаэробных процес­сов, поэтому накопление кислородного долга все же происходит. К кон­цу работы он бывает значителен. Большие сдвиги наблюдаются в хими­ческом составе крови и мочи.

Зона умеренной мощности. Это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связано усиление дыхания и кровообращения пропорционально ин­тенсивности работы и отсутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, что уменьшает углеводные ресурсы организма.

Таким образом, при тренировке на коротких, средних, длинных и сверхдлинных дистанциях и подобных упражнениях должны подби­раться такие отрезки (упражнения) и такая интенсивность их преодо­ления, которые тренировали бы соответствующие этим дистанциям физиологические механизмы энергетического обмена, физиологичес­ки и психологически готовили бы тренирующегося к преодолению тех трудностей и неприятных ощущений, с которыми связано возможно более быстрое (качественное) выполнение конкретных упражнений.

Общее представление о расходе энергии при различных видах фи­зических упражнений показано в табл. 4.7.

В заключение необходимо отметить, что не вся энергия, расходуе­мая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициен­том полезного действия (КПД). Считается, что наибольший КПД че­ловека при привычной для него работе не превышает 0,30—0,35. Сле­довательно, общие энергетические затраты организма минимум в 3 раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД ра­вен 0,20—0,25, так как нетренированный человек тратит на одну и ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, эксперименталь­но установлено, что при одной и той же скорости передвижения раз­ница в расходе энергии между тренированным спортсменом и нович­ком может достигать 25—30%. Это подчеркивает экономизацию двигательной деятельности у тренированного человека.