Спортивная адаптология

В. Н. Селуянов Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма, Россия

Спортивная адаптология - новое научное направление исследования морфологических, биохимических, физиологических и биомеханических изменений в организме спортсменов при выполнении тренировочных и соревновательных двигательных действий, а также долговременных последствий занятий спортом. Область научных исследований спортивной адаптологии - изучение целостного поведения систем и органов спортсменов при выполнении физических упражнений и в ходе восстановления. Основным методом исследований является имитационное (умозрительное и математическое) моделирование срочных и долговременных адаптационных процессов в организме спортсменов. Модели систем и органов спортсмена строятся с учетом экспериментальных данных об их строении и взаимосвязи, полученных всем научным сообществом, занимающимся решением проблем биологии человека.

Умозрительные и математические модели используются для описания явлений, имеющих место в практике спорта. Описание срочных и долговременных процессов при занятиях спортом относится к теории спортивной деятельности.

Корректные и адекватные модели организма спортсмена могут использоваться в педагогической практике, в рамках новой методической дисциплины - спортивно-педагогической педагогики. С помощью имитационного моделирования можно разрабатывать и экспериментально подтверждать корректность теоретических выкладок при создании новых методов контроля физической подготовленности, средств и методов физической подготовки, планов тренировочного процесса.

Методология построения спортивной адаптологии

Каждая научная дисциплина исторически развивается от мифотворчества, авторитаризма, эмпиризма к теоретическому познанию объекта исследования. Теоретическое познание объекта исследования предполагает построение модели объекта сначала на вербально-логическом уровне, а затем - математическом, с использованием таких средств, которые позволяют отразить как вещественную часть объекта, так и особенности его функционирования в различных условиях внутренней и внешней среды. Модель объекта строится с учетом знаний, которые научное сообщество приобрело о строении объекта и взаимосвязях между его элементами и с внешней средой. Таким образом, моделирование есть средство систематизации и синтеза всей совокупности фактических (чувственных) данных об изучаемом объекте.

Очевидно, что основным инструментом моделирования является дифференциальное исчисление. Дифференциальные уравнения позволяют не только описывать вещественный атрибут объекта, но и процессы в нем (атрибут - движение). Такое математическое описание объекта исследования является высшей формой (теорией) его познания.

Спортивная адаптология - это наука о целостном поведении организма спортсменов в тренировочных и соревновательных условиях.

Целостное поведение организма спортсменов не может изучать спортивная физиология, поскольку ставит себе задачи исследования отдельных систем организма, не использует методы математического моделирования для познания целостной реакции организма спортсменов. Поэтому спортивная адаптология должна рассматриваться как самостоятельная научная дисциплина. Построение и функционирование обобщенных математических моделей мышечных волокон, мышц, нервной системы, сердечно-сосудистой, дыхательной, иммунной являются предметом исследований спортивной адаптологии. В основе таких моделей должны быть заложены все необходимые и достаточные знания, добытые биологами.

Спортивно-педагогическая адаптология, в отличие от фундаментальной науки - спортивной адаптологии, которая изучает спортсмена ради познания основных законов функционирования и адаптации к нагрузкам, является методической наукой. В рамках нее разрабатываются множество рациональных вариантов тренировки - последовательности управленческих команд для выбора наиболее подходящего для решения спортивных задач. Последовательность действий - метод, технология не являются предметом фундаментальной науки. Такой поиск схож с инженерным проектированием, поиском вариантов решения задач с учетом среды, состояния объекта и возможностью реализовать план тренировки.

Логика научного поиска в методической деятельности включает следующие этапы:

выбор концептуальной и математической модели спортсмена в соответствии с целью тренировки,

исследование методов тренировки и выбор рациональных вариантов с помощью имитационного моделирования,

разработка микроциклов подготовки и исследование их в ходе имитационного моделирования,

планирование подготовки,

экспериментальное исследование эффективности инновационной программы тренировки.

Метод тренировки является описанием последовательности действий спортсмена (иногда под руководством тренера). Последовательность действий предполагает соблюдение нескольких параметров. Поиск рациональных вариантов выбора этих параметров является предметом исследования спортивно-педагогической адаптологии.

План подготовки (технология) должен представить распределение в пределах микроцикла различных методов тренировки и питания для достижения цели спортивной тренировки с учетом процессов долговременной адаптации систем и органов спортсмена.

Модели систем и органов организма спортсменов

Развитие науки приводит к появлению моделей объекта исследования, с помощью которых познаются новые свойства или разрабатываются инновационные технологии, создается теория. Для строго научного объяснения механизмов функционирования спортсмена необходимо построить модель идеальной клетки, мышечного волокна, мышцы, нервно-мышечного аппарата, сердечно-сосудистой системы, дыхательной системы, эндокринной, иммунной, пищеварительной и др. Сложность моделей должна быть адекватна решаемым задачам - объяснение явлений адаптации организма спортсменов в результате выполнения тренировочных и соревновательных нагрузок.

Идеальная клетка (мышечное волокно)

Все клетки животных устроены в первом приближении одинаково. Клетка, например, мышечное волокно (MB), имеет мембрану - сарколемму. В саркоплазме имеются все обычные органеллы и многочисленные ядра (MB - многоядерная клетка). Специфическими органеллами являются миофибриллы.

Структурными компонентами клетки являются:

плазма, прозрачная жидкость с включением белков - ферментов метаболизма углеводов, аминокислот, жиров (липидов) и др. веществ, а также тРНК. В плазме происходит с помощью рибосом и полирибосом строительство новых органелл;

мембраны клетки, состоящие из липидов (40%) и белков (60%). Белковые включения выполняют функции белков-переносчиков, белков-ферментов, рецепторов, структурной основы;

митохондрии - энергетические станции клетки, занимаются ресинтезом молекул АТФ с помощью окислительного фосфорилирования. Они потребляют кислород, углеводы, жиры и выделяют углекислый газ, воду и ресинтезированные молекулы АТФ. Продукты метаболизма также могут проникать через мембраны митохондрий в цитоплазму;

эндоплазматическая сеть (ЭПС) - совокупность мембран, трубочек, вакуолей. Различают гранулярную и гладкую эндоплазматическую сеть. В гранулярной ЭПС происходит синтез мембранных белков и др. компонентов клетки. Гладкая ЭПС участвует в синтезе липидов, хорошо развита в клетках эндокринной системы, возможна связь и с синтезом гликогена;

комплекс Гольджи - сеть мембран, выполняющих секреторную функцию;

лизосомы _ шаровидные структуры, содержащие гидролитические ферменты (протеиназы, глюкозидазы, фосфатазы, нуклеазы, липазы). Лизосомы участвуют в процессах внутриклеточного переваривания. Особенно активными становятся лизосомы при закислении клетки, увеличении концентрации ионов водорода;

рибосомы - элементарные аппараты синтеза белков;

микротрубочки - фибриллярные образования, выполняющие роль каркасных структур;

глобулы гликогена - запас углеводов в клетке;

капельки жира - запас жира в клетке;

ядро - система генетической детерминации синтеза белка. Включает хроматин, ядрышки, кариоплазму и ядерную оболочку. Хроматин содержит ДНК, здесь образуются иРНК, в ядрышках образуется рибосомальная рРНК.

После выяснения структуры клетки можно рассмотреть физиологические процессы в клетке. С точки зрения проблем физической подготовки интерес представляют процессы катаболизма и анаболизма.

Анаболизм обеспечивается ДНК и полирибосомами, активизируется анаболизм с помощью стероидных гормонов. Для физического развития особенно важны соматотропин (гормон роста) и тестостерон. Стероидные гормоны проникают только в активные клетки.

Катаболизм в клетке обеспечивается лизосомами. Они становятся особенно активными при закислении клетки - появлении в них ионов водорода. В этом случае увеличиваются поры в мембранах, ускоряются процессы как диффузии, так и активного транспорта.

Таким образом, физическое развитие активных клеток обеспечивается повышением концентрации стероидных гормонов в крови, приминимизации катаболизма (закисления крови). Для тренера появляются первые принципы построения тренировочного процесса:

управление активностью ЦНС и мышц обеспечивается управлением эндокринной системой (концентрацией стероидных гормонов — соматотропина и тестостерона в организме спортсменов);

управление концентрацией гормонов в крови приводит к адаптационным перестройкам в активных MB (гиперплазии миофибрилл и митохондрий).

Эндокринная система

Эндокринная система включает несколько желез: гипофиз, шишковидная, надпочечники, гонады, поджелудочная и др. При выполнении физических упражнений в коре головного мозга возникает психическое напряжение (стресс), что вызывает активизацию гипоталамуса и активизацию работы гипофиза. Передняя доля гипофиза выделяет в кровь соматотропин, тиреотропин, адренокортикотропный гормон (АКТГ), фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинезирующий (ЛГ) гормоны.

Соматотропин (гормон роста) - проникая в MB, стимулирует синтез миофибрилл, активизируется синтез в сухожилиях и костной ткани.

ФСГ, ЛГ активизируют гонады, что ведет к выделению в кровь тестостерона, который в MB активизирует синтез миофибрилл.

Хорошо известно, что концентрация соматотропина и тестостерона растет при выполнении силовых, скоростно-силовых и скоростных упражнений, а также при массе активных мышц. Поэтому развитие MB наиболее интенсивно происходит при выполнении предельных и околопредельных по психическому напряжению упражнений при минимизации степени закисления (катаболизма) MB.

Отсюда следует третий педагогический принцип спортивной тренировки:

наиболее эффективными (стрессорными) являются физические упражнения, выполняемые с предельным или околопредельным психическим напряжением (интенсивностью).

Иммунная система

Иммунная система включает костный мозг, тимус, лимфатические узлы и др. Костный мозг отвечает за строительство форменных элементов крови. Важнейшими факторами нормализации функционирования костного мозга являются тестостерон и витамин В12. Поэтому стрессорные нагрузки являются стимуляторами активности и развития костного мозга, а значит, иммунной системы.

Мышца

Мышца состоит из мышечных волокн. MB принято классифицировать на быстрые и медленные (ММВ). Определить мышечную композицию можно с помощью биопсии. Делают биопсию из латеральной головки четырехглавой мышцы бедра. Кусочек мышечной ткани быстро замораживают, потом делают тонкие срезы и обрабатывают химически по определенной технологии. Обычно определяют активность миозиновой АТФазы - фермента, разрушающего молекулу АТФ. Затем смотрят поперечные срезы MB и видят окраску - черные, серые и белые MB. Подсчитывают долю на определенной поверхности или из 200 единиц MB одинаковой окраски. Эта мышечная композиция наследуется. Нельзя практически существенно менять АТФазную активность MB. В экспериментах с электромиостимуляцией временно можно изменять АТФазную активность, но практического значения эти эксперименты пока не имеют.

Важно отметить, что каждая мышца имеет свою собственную унаследованную мышечную композицию, поэтому взятие биопсии из одной мышцы не может дать полной картины одаренности спортсмена. Педагогическое наблюдение и тестирование может дать более полную информацию о таланте спортсмена, чем лабораторное обследование. Например, набор тестов для легкоатлетов - прыжок с места на двух ногах, многоскоки с ноги на ногу, метание ядра вперед и назад, метание гранаты, позволят в сравнении с нормами оценить различные мышечные группы у данного спортсмена. Например, если в группе большинство мальчиков 11 -12 лет прыгает в длину с места на 180-200 см, а один из них прыгнул на 250 см, то нет сомнений, что этот мальчик имеет в мышцах разгибателях суставов ног высокий процент быстрых MB.

Существует способ классификации MB по другим ферментам. Особый интерес представляет классификация MB по активности ферментов митохондрий. В этом случае говорят об окислительных, промежуточных и гликолитических MB (ОМВ, ПМВ и ГМВ, соответственно). Эта мышечная композиция не наследуется, поскольку ОМВ легко превращаются в ГМВ при прекращении тренировок. Митохондрии разрушаются, стареют и через 20 дней от 100% остается только 50% и т.д. Спортивная форма теряется без тренировок очень быстро.

MB имеет специфические органеллы - миофибриллы. Миофибриллы у всех животных одинаковые по строению и различаются только по длине (количеству саркомеров). Поперечное сечение всех миофибрилл одинаковое. Поэтому сила сокращения MB зависит от количества миофибрилл в нем.

Саркомер - последовательный компонент миофибриллы, состоит из нитей актина и миозина. Из миозина выходят веточки с головками. Головка миозина является одновременно ферментом для разрушения молекул АТФ и креатинфосфата (КрФ). При разрушении молекулы АТФ образуется АДФ, неорганический фосфат (Ф),Н и энергия. Для ресинтеза молекулы АТФ нужна энергия, она берется из молекулы КрФ, которая при разрушении преобразуется в свободный КрФ и энергию.

Сокращение саркомера и миофибриллы возникает при выходе из цистерн кальция. Кальций выходит из цистерн при активации MB. Он прикрепляется к активным центрам актина и освобождает их для создания мостика между актином и миозином. Головка миозина при прикреплении к актину, поворачивается на 45 градусов, что обеспечивает скольжение нитей по отношению друг к другу. Отрыв головки миозина от актина требует затраты энергии, которая берется из процесса разрушения молекулы АТФ ферментом ~ миозиновой АТФазой. Вслед за этим креатинфосфокиназа разрушает КрФ, и энергия этой молекулы идет на ресинтез АТФ. Свободный креатин и неорганический фосфат проникает сквозь миофибриллу к митохондриям или ферментам гликолиза и приводят к запуску гликолиза и окислительному фосфорилированию в митохондриях.

Выход кальция из цистерн происходит при активации MB. После прекращения электрической стимуляции MB в цистернах закрываются поры, а кальциевые насосы продолжают закачивать атомы кальция в цистерны. Через 50—100 мс большая часть ионов кальция закачивается обратно в цистерны. Этот процесс называют расслаблением мышцы.

Молекулы АТФ крупные, поэтому очень медленно перемещаются по MB, и посредником между миофибриллами и митохондриями по доставке энергии являются молекулы КрФ. Эти молекулы маленькие и легко перемещаются по MB. Российские ученые назвали этот механизм креатинфосфатным челноком.

Поэтому прием креатина с пищей позволяет повысить его концентрацию в MB. В результате существенно ускоряются метаболические процессы в MB.

Модель биоэнергетических процессов в MB разного типа. В ГМВ имеется запас молекул АТФ в миофибриллах, запас молекул АТФ около митохондрий, запас молекул АТФ в саркоплазме. Имеется запас молекул КрФ, глобул гликогена и капелек жира. Масса митохондрий в ГМВ мала, поскольку необходима только для жизни этих клеток в покое.

Активизация биохимических процессов начинается с момента прохождения электрических импульсов по мембранам MB. Открываются поры в цистернах, выходит кальций в саркоплазму, кальций прикрепляется к актину, образуются актин-миозиновые мостики, тратится АТФ и КрФ. Свободный креатин и неорганический фосфат выходят из миофибрилл и используют энергию саркоплазматических молекул АТФ для ресинтеза КрФ. Молекулы АТФ ресинтезируются в ходе анаэробного гликолиза. Гликолиз начинается с разрушения молекулы глюкозы или гликогена, а заканчивается образованием пирувата. Пируват из-за отсутствия митохондрий преобразуется в лактат. Соединение аниона лактата с протоном (ионом водорода) приводит к образованию молочной кислоты, которая может в таком виде выходить в кровь. В крови молекула молочной кислоты диссоциирует, поэтому между концентрацией водорода и лактата имеется высокая корреляционная связь (R=0,99).

Ионы водорода образуются при распаде саркоплазматических и других молекул АТФ.

Активность ГМВ приводит к накоплению в саркоплазме продуктов метаболизма Н, Кр, Ф, лактата, пирувата и др.

Запасов миофибриллярных АТФ хватает на 1-2 с, КрФ - 5-20 с (в зависимости от режима сокращения и расслабления MB). Затем усиливается гликолиз, но мощность его не более 50% от максимума, а из-за накопления ионов водорода нарушается процесс образования актин-миозиновых мостиков, и через 30 с они практически полностью перестают образовываться. Это явление обычно определяют как локальное мышечное утомление. ГМВ определяют как утомляемые MB.

ОМВ устроены точно также как и ГМВ. Основное различие связано с массой митохондрий. В ОМВ масса митохондрий находится в предельном соотношении с миофибриллами, что обеспечивает максимальное потребление кислорода одним килограммом ОМВ около 0,3 л/мин.

Активизация ОМВ приводит к образованию актин-миозиновых мостиков и затратам энергии молекул АТФ. Концентрация миофибриллярных молекул АТФ поддерживается КрФ. Поддержание концентрации КрФ обеспечивается двумя путями:

молекулами АТФ, ресинтезируемыми в митохондриях,

молекулами АТФ, ресинтезируемыми в аэробном гликолизе.

Этот процесс развивается в течение 45- 60 с. К этому времени одновременно может идти как гликолиз, так и окисление жиров. Но по мере функционирования митохондрий в саркоплазме накапливается цитрат, поэтому начинается ингибирование ферментов гликолиза, и ОМВ полностью переходит на липолиз.

Липолиз использует запасы жира в капельках, запаса этого жира у нормальных людей хватает на 30-50 мин. Жирные кислоты крови медленно поступают в MB, поэтому не могут полностью обеспечить мышечную деятельность высокой интенсивности.

Митохондрии поглощают АДФ, Ф, кислород, пируват, жирные кислоты, глицерин, ионы водорода и выделяют ресинтезированные молекулы АТФ, углекислый газ и воду. Поэтому ОМВ не закисляются, не утомляются.

Окисление жиров в ОМВ может прекратиться, если в саркоплазме появятся ионы лактата. В этом случае окисление жиров ингибируется, а лактат становится субстратом окисления. Лактат с помощью лактатдегидрогеназы (ЛДГ) сердечного типа превращается в пируват, а тот, через ацетил-коэнзим А, поступает в митохондрии. Пируват также начинает образовываться в ходе гликолиза из глюкозы и гликогена.

Лактат может попасть в ОМВ только при одновременном функционировании ГМВ и ОМВ.

Биомеханические свойства MB связаны с эмпирическими законами:

«сила - длина»,

«сила - скорость»,

«сила - время активации»,

«сила - время расслабления»,

«сила - энергия упругой деформации».

Эти законы надо учитывать при анализе соревновательной деятельности.

Для тренера должно быть ясно, что ОМВ относятся к неутомляемым MB, а ГМВ — к утомляемым, поэтому в тренировочном процессе необходимо стремиться к увеличению массы митохондрий в ГМВ, следовательно, преобразовывать последние в ПМВ и ОМВ.

Нервно-мышечный аппарат

Биохимия и физиология мышечной активности при выполнении физической работы может быть описана следующим образом. Покажем с помощью имитационного моделирования, как разворачиваются физиологические процессы в мышце при выполнении ступенчатого теста. Модель нервно-мышечного аппарата при выполнении препрограммируемых двигательных действий включает в себя, как минимум, мышцу, нерв, мотонейронный пул спинного мозга и нейрон коры головного мозга, иннервирующий мотонейронный пул данной мышцы в спинном мозгу.

На вход модели введем: ММВ (ОМВ)=50%, амплитуда ступеньки - 5%, длительность - 1 мин. На первой ступеньке в связи с малым внешним сопротивлением рекрутируются, согласно «правилу размера» Ханнемана, низкопороговые двигательные единицы, ДЕ (MB). Они имеют высокие окислительные возможности, субстратом в них являются жирные кислоты. Однако, первые 10-20 с энергообеспечение идет за счет запасов АТФ и КрФ в активных MB. Уже в пределах одной ступеньки (1 мин) имеет место рекрутирование новых MB, благодаря этому удается поддерживать заданную мощность на ступеньке. Вызвано это снижением концентрации фосфогенов в активных MB, то есть силы (мощности) сокращения этих MB, усилением активирующего влияния ЦНС, а это приводит к вовлечению новых ДЕ (MB). Постепенное ступенчатое увеличение внешней нагрузки (мощности) сопровождается пропорциональным изменением некоторых показателей: растет частота сердечных сокращений (ЧСС), потребление кислорода, легочная вентиляция, не изменяется концентрация молочной кислоты и ионов водорода.

При достижении внешней мощности некоторого значения наступает момент, когда в работу вовлекаются все ОМВ и начинают рекрутироваться ПМВ. В ПМВ после снижения концентрации фосфогенов активизируется гликолиз, часть пирувата начинает преобразовываться в молочную кислоту, которая выходит в кровь, проникает в ОМВ. Попадание в ОМВ лактата ведет к ингибированию окисления жиров, субстратом окисления становятся в большей мере углеводы (глюкоза, лактат, гликоген). Следовательно, признаком рекрутирования всех ОМВ является увеличение в крови концентрации лактата и усиление легочной вентиляции. Легочная вентиляция усиливается в связи с образованием и накоплением в ПМВ ионов водорода, которые при выходе в кровь взаимодействуют с буферными системами крови и вызывают образование избыточного (неметаболического) углекислого газа. Повышение концентрации углекислого газа в венозной крови приводит к активизации дыхания.

Таким образом, при выполнении ступенчатого теста имеет место явление, которое принято называть аэробным порогом (АэП). Появление АэП свидетельствует о рекрутировании всех ОМВ. По величине внешнего сопротивления можно судить о силе ОМВ, которую они могут проявить при ресинтезе АТФ и КрФ за счет окислительного фосфорилирования.

Дальнейшее увеличение мощности требует рекрутирования более высокопороговых ДЕ (MB), это усиливает процессы анаэробного гликолиза, больше выходит молочной кислоты в кровь. При попадании лактата в ОМВ он превращается обратно в пируват с помощью фермента ЛДГ-Н. Однако мощность митохондриальной системы ОМВ имеет предел. Поэтому сначала наступает предельное динамическое равновесие между образованием лактата и его потреблением в ОМВ и ПМВ, а затем равновесие нарушается, и некомпенсируемые метаболиты - лактат, Н, С02 - вызывают резкую интенсификацию физиологических функций. Дыхание - один из наиболее чувствительных процессов, реагирует очень активно. Кровь при прохождении легких в зависимости от фаз дыхательного цикла должна иметь разное парциальное напряжение С02. «Порция» артериальной крови с повышенным содержанием С02 достигает хеморецепторов и непосредственно модулярных хемочувствительных структур ЦНС, что и вызывает интенсификацию дыхания. В итоге С02 начинает вымываться из крови так, что в результате средняя концентрация углекислого газа в крови начинает снижаться. При достижении мощности, соответствующей анаэробному порогу (АнП), скорость выхода лактата из работающих ГМ В сравнивается со скоростью его окисления в ОМВ. В этот момент субстратом окисления в ОМВ становятся только углеводы (лактат ингибирует окисление жиров), часть из них составляет гликоген ОМВ, другую часть - лактат, образовавшийся в ГМВ. Использование углеводов в качестве субстратов окисления обеспечивает максимальную скорость образования энергии (АТФ) в митохондриях ОМВ. Следовательно, потребление кислорода или (и) мощность на АнП характеризует максимальный окислительный потенциал (мощность) ОМВ и ПМВ.

Дальнейший рост внешней мощности делает необходимым вовлечение все более высокопороговых ДЕ, иннервирующих ГМВ. Динамическое равновесие нарушается, продукция Н, лактата начинает превышать скорость их устранения. Это сопровождается дальнейшим увеличением легочной вентиляции, ЧСС и потребления кислорода. После АнП потребление кислорода в основном связано с работой дыхательных мышц и миокарда. При достижении предельных величин легочной вентиляции и ЧСС или при локальном утомлении мышц потребление кислорода стабилизируется, а затем начинает уменьшаться. В этот момент фиксируют максимальное потребление кислорода (МПК).

Таким образом, МПК есть сумма величин потребления кислорода ОМВ, дыхательными мышцами и миокардом (иногда еще активными мышцами, не влияющими на рост механической мощности в заданном двигательном действии).

Энергообеспечение мышечной активности в упражнениях длительностью более 60 с в основном идет за счет запасов гликогена в мышце и в печени. Однако продолжительность выполнения упражнений с мощностью от 90% максимальной аэробной мощности (МАМ) до мощности АнП не связана с исчерпанием запасов гликогена. Только в случае выполнения упражнения с мощностью АнП отказ от поддержания заданной мощности возникает в связи с исчерпанием в мышце запасов гликогена.

Для оценки запасов в мышцах гликогена необходимо определить мощность АнП и выполнять такое упражнение до предела. По длительности поддержания мощности АнП можно судить о запасах гликогена в мышцах.

Увеличение мощности АнП, иначе говоря, рост митохондриальной массы ОМВ, приводит к адаптационным процессам - увеличению количества капилляров и их плотности (последнее вызывает увеличение транзитного времени крови). Это дает основание к предположению, что увеличение мощности АнП одновременно говорит о росте как массы ОМВ, так и степени капилляризации ОМВ.

Косвенную оценку состояния сердечно-сосудистой системы можно дать по результатам ступенчатого теста. Анализ взаимосвязей между выполняемой мощностью и ЧСС, потреблением кислорода, легочной вентиляцией показал наличие линейной зависимости до момента появления аэробного порога. В тесте на велоэргометре при КПД = 23% каждый лито потребленного кислорода соответствует 20 л/мин легочной вентиляции, 75-80 Вт мощности. Если учесть, что к активным мышцам кровь приходит при любой допороговой мощности с одинаковой концентрацией кислорода, то концентрация кислорода и углекислого газа в венозной крови будет зависеть от мощности функционирования мышцы и объемной скорости кровотока. Судя по имеющимся данным, изменение размеров сердца не влияет на объемную скорость кровотока в мышце, однако частота сердечных сокращений на стандартной нагрузке снижается. Следовательно, по ЧСС на стандартной допороговой нагрузке можно судить об ударном объеме сердца, иначе говоря, об объеме левого желудочка и силе миокарда.

Для определения функциональных возможностей эндокринной и иммунной систем пока не разработано тестов. Существуют попытки определения реактивности иммунной системы по реакции антител человека на чужеродный белок - бараньи эритроциты. Однако этот метод трудоемок, требует взятия пробы крови, в тренерской практике мало пригоден.

Наиболее простой способ контроля за состоянием эндокринной и иммунной систем -это регулярное тестирование силовых возможностей спортсмена: в случае падения уровня силы при обычной тренировке, дающей прирост силы, можно предполагать снижение функциональных возможностей эндокринной системы или недостаточный уровень продукции гормонов для обеспечения в целом тренировочного процесса. Снижение концентрации гормонов в крови ведет к снижению интенсивности процессов синтеза, в частности, возможности продуцирования иммунной системой плазмоклеток, что приводит к явлению иммунодефицита. Таким образом, регулярное тестирование силовых возможностей мышц -основа контроля за состоянием эндокринной и иммунной систем. Возможно, регулярное тестирование кистевой динамометрии у легко-атлетов-бегунов в работах Н. Озолина косвенно характеризовало состояние эндокринной системы, поскольку специальной тренировки на эти мышечные группы не делалось, а при правильной тренировке, обеспечивающей повышенную концентрацию гормонов в крови, должно происходить увеличение силы во всех мышечных группах. Эту мысль подтверждают экспериментальные данные о росте силы у ноги, которая не тренировалась, при силовой тренировке другой ноги.

Таким образом, в тренировочном процессе необходимо учитывать физиологический закон «рекрутирования двигательных единиц и мышечных волокон». В соответствии с этим законом низкопороговые ДЕ регулярно тренируются, поэтому имеют предельное насыщение митохондрий, а высокопороговые ДЕ активны в силовых, скоростно-силовых и скоростных упражнениях, и если их не выполнять, то теряют миофибриллы и митохондрии. Следовательно, тренировочный процесс может быть эффективным, если используются упражнения, требующие активации всех двигательных единиц, но без усиления катаболизма.

Сердце и кровообращение

Деятельность сердца и сосудов обеспечивает кровообращение - непрерывное движение крови в организме. В своем движении кровь проходит по большому и малому кругам кровообращения. Большой круг начинается от левого желудочка сердца, включает аорту, отходящие от нее артерии, артериолы, капилляры, вены и заканчивается полыми венами, впадающими в правое предсердие. Малый круг кровообращения начинается от правого желудочка, далее -легочная артерия, легочные артериолы, капилляры, вены, легочная вена, впадающая в левое предсердие.

Функцией сердца является ритмическое нагнетание в артерии крови. Сокращение MB (миокардиоцитов) стенок предсердий и желудочков называют систолой, а расслабление - диастолой.

Количество крови, выбрасываемое левым желудочком сердца в минуту, называется минутным объемом кровотока (МОК). В покое он составляет в норме 4-5 л/мин. Разделив МОК на ЧСС, можно получить ударный объем кровотока или сердца (УОС). В покое он составляет 60_70 мл крови за удар.

Частота и сила сокращений зависит от нервной, гуморальной (адреналин) регуляции и биомеханических условий работы желудочков.

При вертикальном положении тела имеется механический фактор - сила тяжести крови, затрудняющий работу сердца, приток венозной крови к правому предсердию. В нижних конечностях скапливается до 300-800 мл крови.

При мышечной работе минутный объем кровотока растет за счет увеличения ЧСС и УОС. Заметим, что УОС, как правило, достигает максимума при ЧСС 120—150 уд./мин, а максимум ЧСС бывает при 180-200 и более уд./мин. МОК достигает 18—25 л/мин у нетренированных лиц при достижении максимальной ЧСС. В этот момент сердце доставляет организму максимум кислорода:

V02 = МОК х НЬ х 0,00134 = 20 х 160 х х 0,00134 = 4,288 л/мин

Здесь НЬ - содержание гемоглобина в крови, г/л крови; 0,00134 - кислородная емкость гемоглобина в артериальной крови.

Если бы мышцы ног нетренированного человека могли полностью использовать весь приходящий кислород, то этот человек мог бы стать мастером спорта по бегу на длинные дистанции (бегуны мирового класса потребляют кислород на уровне анаэробного порога 4,0-4,5 л/мин). Однако в мышцах мало митохондрий, поэтому МПК у нетренированного мужчины составляет 3-3,5 л/мин (45_50 мл/кг/мин), у нетренированной женщины - 2-2,2 л/мин (40- 45 мл/кг/мин). На уровне анаэробного порога потребление кислорода составляет в среднем 60-70% МПК, что в 2 раза меньше, чем у мастеров спорта.

Надо заметить, что величина ударного объема сердца зависит от венозного возврата крови. При локальной работе задействован маленький объем мышц, поэтому сокращение их не приводит к существенному росту венозного возврата крови. Происходит рост ЧСС, а не УОС. При одновременной активности мышц ног, рук и туловища (например, у лыжника) венозный возврат значительно растет (благодаря мышечному насосу) и УОС достигает максимальных значений для данного спортсмена.

Кровеносные сосуды. Сердце при сокращении (систоле) выталкивает кровь в аорту и легочную артерию, растягивая их и создавая давление крови (Р). Движению крови препятствует сосудистое (периферическое) сопротивление. Максимальное давление называется систолическим артериальным давлением (САД), минимальное - диастолическим артериальным давлением (ДАД). В условиях покоя в норме САД = 120 мм рт. ст., ДАД = 80 мм рт. ст. Между растяжимостью (эластичностью) артерий и давлением крови в сосудах имеется обратная зависимость. Чем растяжимее артерии, тем больше крови может быть нагнетено без увеличения артериального давления (АД). При артеосклерозе стенка аорты менее эластична, поэтому надо сильнее нагнетать кровь (тот же объем крови, как у здорового человека), чтобы она дальше прошла по сосудам. Сопротивление кровотоку зависит от вязкости крови и, главным образом, от просвета сосудов. Увеличение напряжения мышц вызывает перекрытие сосудов - увеличение сосудистого сопротивления. Накопление в крови мышц продуктов анаэробных процессов (pH, рС02, уменьшение р02 и др.) приводит к рабочей гиперемии - расширению кровеносных сосудов, т.е. уменьшению АД.

Нервный и гуморальный контроль наиболее важны в управлении функциями сосудистой системы. Симпатические нервные волокна иннервируют гладкие мышцы в стенках артериальных и венозных сосудов, особенно мелких. Кровоток через капилляры определяется местными факторами.

Сосудосуживающий эффект связан с выделением из окончаний адренэргических симпатических волокон норадреналина, который вызывает эффект сокращения гладкомышечных сосудистых клеток, имеющих альфа-рецепторы на мембране (почки, печень, желудочно-кишечный тракт, легкие, кожа). Сосудорасширительный эффект (вазодилатацию) вызывает действие норадреналина и адреналина на гладкомышечные клетки, имеющие бета-рецепторы (сосуды скелетных мышц, сердца, надпочечников).

Следовательно, кровоснабжение мышц осуществляется не только самим сердцем, но и артериальной системой, которая активно продвигает кровь к мышцам.

Реакция организма спортсмена на упражнения разной интенсивности

Кривая индивидуальных рекордов

Каждый спортсмен может себя протестировать, участвуя в соревнованиях на различные дистанции. Зная скорость бега и предельное время, можно построить график личных рекордов. Если ось времени представлена как логарифм от времени, то получается график из двух прямых. Первая прямая характеризует максимальные скоростно-силовые способности, вторая - наклонная прямая, характеризует аэробные возможности спортсмена.

Таким образом, никаких 4-х или 5-ти зон мощности у отдельных спортсменов нет, поэтому классическое представление о зонах мощности на кривой мировых рекордов является ошибочным. На полулогарифмическом графике мировых рекордов по легкой атлетике можно видеть четыре прямые, соответствующие 4-м лучшим спортсменам мира, т.е. каждый прямолинейный отрезок представляет индивидуальную кривую рекордов. Первая - спринтеров, вторая 1 бегунов на средние дистанции, третья - бегунов на длинные дистанции и четвертая - марафонцев.

Классификация нагрузок, срочные и долговременные адаптационные процессы в организме спортсменов

Средства и методы физической подготовки направлены на изменение строения MB скелетных мышц и миокарда, а также клеток других органов и тканей (например, эндокринной системы). Каждый метод тренировки характеризуется несколькими переменными, отражающими внешнее проявление активности спортсмена: интенсивность сокращения мышц, интенсивность упражнения, продолжительность выполнения (количество повторений -серия, или длительность выполнения упражнений), интервал отдыха, количество серий (подходов). Существует еще внутренняя сторона, которая характеризует срочные биохимические и физиологические процессы в организме спортсмена. В результате проведения тренировочного процесса происходят долговременные адаптационные перестройки, именно этот результат является сутью или целью применения тренировочного метода и средства.

Классификацию физических упражнений глобального характера можно проводить по отношению к максимальной алактатной мощности и максимальной аэробной мощности.

Упражнения максимальной мощности

Внешняя сторона физического упражнения

Интенсивность сокращения мышц должна составлять 90“100% от максимума. Интенсивность упражнения (серии) - чередование сокращения мышц и периодов их расслабления может составлять 10-100%. При низкой интенсивности упражнения и максимальной интенсивности сокращения мышц упражнение выглядит как силовое, например, приседание со штангой или жим лежа.

Увеличение темпа, сокращение периодов напряжения и расслабления мышц превращает упражнения в скоростно-силовое, например, прыжки, а в борьбе используют броски манекена или партнера или упражнения из арсенала общефизической подготовки: прыжки, отжимания, подтягивания, сгибание и разгибание туловища, все эти действия выполняются с максимальным темпом.

Продолжительность упражнений с максимальной анаэробной интенсивностью, как правило, бывает короткой. Силовые упражнения выполняются с 1-4 повторениями в серии (подходе). Скоростно-силовые упражнения включают до 10 отталкиваний, а темповые - скоростные упражнения длятся 4—10 с.

Интервал отдыха между сериями (подходами) существенно различается.

При выполнении силовых упражнений интервал отдыха превышает, как правило, 5 мин.

При выполнении скоростно-силовых упражнений иногда интервал отдыха сокращают до 2-3 мин.

При выполнении скоростных упражнений интервал отдыха может составлять 45-60 с.

Количество серий обусловлено целью тренировки и состоянием подготовленности спортсмена. В развивающем режиме число повторений составляет 10-40 раз.

Количество тренировок в неделю определяется целью тренировочного задания, а именно тем, что преимущественно надо гиперплазировать в MB - миофибриллы или митохондрии.

Внутренняя сторона физического упражнения

Упражнения максимальной анаэробной мощности требуют рекрутирования всех ДЕ. Это упражнения с почти исключительно анаэробным способом энергообеспечения работающих мышц: анаэробный компонент в общей энергопродукции составляет от 90 до 100%. Он обеспечивается главным образом за счет фосфагенной энергетической системы (АТФ+КрФ) при некотором участии лактацидной (гликолитической) системы в ГМВ и ПМВ. В ОМВ по мере исчерпания запасов АТФ и КрФ разворачивается окислительное фосфорилирование, кислород в этом случае поступает из миоглобина ОМВ и крови.

Рекордная максимальная анаэробная мощность, развиваемая спортсменами на велоэргометре, составляет 1000-1500 Ватт, а с учетом затрат на перемещение ног - более 2000 Ватт. Возможная предельная продолжительность таких упражнений колеблется от секунды (изометрическое упражнение) до несколько секунд (скоростное темповое упражнение).

Усиление деятельности вегетативных систем происходит в процессе работы постепенно. Из-за кратковременности анаэробных упражнений во время их выполнения функции кровообращения и дыхания не успевают достигнуть возможного максимума. На протяжении максимального анаэробного упражнения спортсмен либо вообще не дышит, либо успевает выполнить лишь несколько дыхательных циклов. Соответственно, легочная вентиляция не превышает 20-30% от максимальной.

ЧСС повышается еще до старта (до 120-150 уд./мин) и во время упражнения продолжает расти, достигая наибольшего значения сразу после финиша - 80-90% от максимальной (160—180 уд./мин). Поскольку энергетическую основу этих упражнений составляют анаэробные процессы, усиление деятельности кардиореспираторной (кислородтранспортной) системы практически не имеет значения для энергетического обеспечения самого упражнения. Концентрация лактата в крови за время работы изменяется крайне незначительно, хотя в рабочих мышцах она может достигать в конце работы 10 ммоль/кг и даже больше. Концентрация лактата в крови продолжает нарастать на протяжении нескольких минут после прекращения работы и составляет максимально 5-8 ммоль/л.

До начала и в результате их выполнения в крови очень существенно повышается концентрация катехоламинов (адреналина и норадреналина) и гормона роста, но несколько снижается концентрация инсулина; концентрации глюкагона и кортизола заметно не меняются. Поэтому перед выполнением анаэробных упражнений и после несколько повышается концентрация глюкозы в крови.

Ведущие физиологические системы и механизмы, определяющие спортивный результат в этих упражнениях: центрально-нервная регуляция мышечной деятельности (координация движений с проявлением большой мышечной мощности), функциональные свойства нерв-но-мышечного аппарата (скоростно-силовые), запасы АТФ и КрФ, которые зависят от массы рабочих мышц.

Внутренние, физиологические процессы разворачиваются более интенсивно в случае выполнения повторной тренировки. В этом случае в крови увеличивается концентрация гормонов, а в MB и крови концентрация лактата и ионов водорода, если отдых будет пассивный и коротким.

Долговременные адаптационные перестройки

Выполнение развивающих тренировок силовой, скоростно-силовой и скоростной направленности с частотой 1 или 2 раза в неделю позволяет существенно изменить массу миофибрилл в ПМВ и ГМВ. В ОМВ существенных изменений не происходит, поскольку (предполагается) в них не накапливаются ионы водорода, поэтому не происходит стимуляции генома, затруднено проникновение анаболических гормонов в клетку и ядро. Масса митохондрий при выполнении упражнений предельной продолжительности расти не может, поскольку в ПМВ и ГМВ накапливается значительное количество ионов водорода.

Сокращение продолжительности выполнения упражнения максимальной алактатной мощности, например, снижает эффективность тренировки с точки зрения роста массы миофибрилл, поскольку снижается концентрация ионов водорода и гормонов в крови. В то же время снижение концентрации ионов водорода в ГМВ приводит к стимуляции активности митохондрий, а значит к постепенному разрастанию митохондриальной системы.

Следует заметить, что на практике использовать эти упражнения следует очень осторожно, поскольку упражнения максимальной интенсивности требуют проявления значительных механических нагрузок на мышцы, связки и сухожилия, а это приводит к накоплению микротравм опорно-двигательного аппарата.

Таким образом, упражнения максимальной анаэробной мощности, выполняемые до отказа, способствуют наращиванию массы миофибрилл в ПМВ и ГМВ, а при выполнении этих упражнений до легкого утомления (закисления) мышц в интервалах отдыха активизируется окислительное фосфорилирование в митохондриях ПМВ и ГМВ, что в итоге приведет к росту массы митохондрий в них.

Упражнения околомаксимальной мощности

Внешняя сторона физического упражнения

Интенсивность сокращения мышц должна составлять 70-90% от максимума. Интенсивность упражнения (серии) - чередование сокращения мышц и периодов их расслабления может составлять 10-90%. При низкой интенсивности упражнения и околомаксимальной интенсивности (60-80%) сокращения мышц упражнение выглядит как тренировка силовой выносливости, например, приседание со штангой или жим лежа в количестве более 12 раз.

Увеличение темпа, сокращение периодов напряжения и расслабления мышц превращает упражнения в скоростно-силовые, например, прыжки, а в борьбе используют броски манекена или партнера или упражнения из арсенала общефизической подготовки: прыжки, отжимания, подтягивания, сгибание и разгибание туловища, все эти действия выполняются с около-максимальным темпом.

Продолжительность упражнений с околомаксимальной анаэробной интенсивностью,как правило, бывает 20-50 с. Силовые упражнения выполняются с 6—12 или более повторениями в серии (подходе). Скоростно-силовые упражнения включают до 10—20 отталкиваний, а темповые - скоростные упражнения - 10—50 с.

Интервал отдыха между сериями (подходами) существенно различается.

При выполнении силовых упражнений интервал отдыха превышает, как правило, 5 мин.

При выполнении скоростно-силовых упражнений иногда интервал отдыха сокращают до 2-3 мин.

При выполнении скоростных упражнений интервал отдыха может составлять 2-9 мин.

Количество серий обусловлено целью тренировки и состоянием подготовленности спортсмена. В развивающем режиме 3-4 серии повторяются 2 раза.

Количество тренировок в неделю определяется целью тренировочного задания. При общепринятом планировании нагрузок целью ставится увеличение мощности механизма анаэробного гликолиза. Предполагается, что длительное пребывание мышц и организма в целом в состоянии предельного закисления должно приводить к адаптационным перестройкам в организме. Однако до настоящего времени нет работ, которые бы прямо показали полезный эффект предельных околомаксимальных анаэробных упражнений, но имеется масса работ, которые демонстрируют резко отрицательное действие их на строение миофибрилл и митохондрий. Очень высокие концентрации ионов водорода в MB приводят как к прямому химическому разрушению структур, так и к усилению активности ферментов протеолиза, которые при закислении выходят из лизосом клеток (пищеварительного аппарата клетки).

Внутренняя сторона физического упражнения

Упражнения околомаксимальной анаэробной мощности требуют рекрутирования больше половины ДЕ, а при выполнении предельной работы - и всех оставшихся. Это упражнения с почти исключительно анаэробным способом энергообеспечения работающих мышц: анаэробный компонент в общей энергопродукции составляет более 90%. В ГМВ он обеспечивается главным образом за счет фосфагенной энергетической системы (АТФ+КрФ) при некотором участии лактацидной (гликалитической) системы. В ОМВ по мере исчерпания запасов АТФ и КрФ разворачивается окислительное фосфорилирование, кислород в этом случае поступает иа многлобина ОМВ и крови.

Возможная предельная продолжительность таких упражнений колеблется от нескольких секунд (изометрическое упражнение) до десятков секунд (скоростное темповое упражнение).

Усиление деятельности вегетативных систем происходит в процессе работы постепенно. Через 20-30 с в ОМВ разворачиваются аэробные процессы, нарастает функция кровообращения и дыхания, которые могут достигнуть возможного максимума. Для энергетического обеспечения этих упражнений значительное усиление деятельности кислородтранспортной системы уже играет определенную энергетическую роль, причем тем большую, чем продолжительнее упражнение. Предстартовое повышение ЧСС очень значительно (до 150-160 уд./мин). Наибольших значений (80-90% от максимальной) она достигает сразу после финиша на 200 м и на финише 400 м. В процессе выполнения упражнения быстро растет легочная вентиляция, так что к концу упражнения длительностью около 1 мин она может достигать 50-60% от максимальной рабочей вентиляции для данного спортсмена (60-80 л/мин). Скорость потребления 02 также быстро нарастает на дистанции и на финише 400 м может составлять уже 70-80% от индивидуального МПК.

Концентрация лактата в крови после упражнения весьма высокая - до 15 ммоль/л у квалифицированных спортсменов. Она тем выше, чем больше дистанция и больше масса и ГМВ. Накопление лактата в крови связано с длительным функционированием ГМВ.

Концентрация глюкозы в крови несколько повышена по сравнению с условиями покоя (до 100-120 мг%). Гормональные сдвиги в крови сходны с теми, которые происходят при выполнении упражнения максимальной анаэробной мощности.

Внутренние, физиологические процессы разворачиваются более интенсивно в случае выполнения повторной тренировки. В этом случае в крови увеличивается концентрация гормонов, а в MB и крови - концентрация лактата и ионов водорода, если отдых будет пассивным и коротким. Повторное выполнение упражнений с интервалом отдыха 2-4 мин приводит к предельно высокому накоплению лактата (более 15 ммоль/л) и ионов водорода в крови (pH менее 7,0), как правило, число повторений не бывает больше четырех.

Долговременные адаптационные перестройки

Выполнение «развивающих» тренировок силовой, скоростно-силовой и скоростной на правленности с частотой 1 или 2 раза в неделю позволяет добиться следующего.

Силовые упражнения, которые выполняются с интенсивностью 65-80% от максимума или с 6-12 подъемами груза в одном подходе, являются самыми эффективными с точки зрения прибавления миофибрилл в ГМВ, в ПМВ и ОМВ изменения существенно меньше. Масса митохондрий от таких упражнений не прибавляется.

Силовые упражнения можно выполнять не до отказа, например: можно поднять груз 16 раз, а спортсмен его поднимает только 4-8 раз. В этом случае не возникает локального утомления, нет сильного закисления мышц, поэтому при многократном повторении с достаточным интервалом отдыха для устранения образующейся молочной кислоты возникает ситуация, стимулирующая развитие митохондриальной сети в ПМВ и ГМВ. Следовательно, околомаксимальное анаэробное упражнение дает вместе с паузами отдыха аэробное развитие мышц.

Высокая концентрация Кр и умеренная концентрация ионов водорода могут существенно изменить массу миофибрилл в ПМВ и ГМВ. В ОМВ существенных изменений не происходит, поскольку в них не накапливаются ионы водорода, поэтому не происходит стимуляции генома, затруднено проникновение анаболических гормонов в клетку и ядро. Масса митохондрий при выполнении упражнений предельной продолжительности расти не может, поскольку в ПМВ и ГМВ накапливается значительное количество ионов водорода, которые стимулируют катаболизм в такой степени, что он превышает мощность процессов анаболизма.

Сокращение продолжительности выполнения упражнения околомаксимальной алактат-ной мощности устраняет негативный эффект упражнений этой мощности. Следует заметить, что на практике использовать эти упражнения следует очень осторожно, поскольку очень легко пропустить момент начала накопления чрезмерного накопления ионов водорода в ПМВ и ГМВ.

Таким образом, упражнения околомаксимальной анаэробной мощности, выполняемые до отказа, способствуют наращиванию массы миофибрилл в ПМВ и ГМВ, а при выполнении этих упражнений до легкого утомления (закисления) мышц, в интервалах отдыха активизируется окислительное фосфорилирование в митохондриях ПМВ и ГМВ (высокопороговые ДЕ могут не участвовать в работе, поэтому не вся мышца прорабатывается), что в итоге приведет к росту массы митохондрий в них.

Упражнения субмаксимальной мощности

Внешняя сторона физического упражнения

Интенсивность сокращения мышц должна составлять 50-70% от максимума.

Интенсивность упражнения (серии) - чередование сокращения мышц и периодов их расслабления может составлять 10-70%. При низкой интенсивности упражнения и околомаксимальной интенсивности (10—70%) сокращения мышц упражнение выглядит как тренировка силовой выносливости, например, приседание со штангой или жим лежа в количестве более 16 раз.

Увеличение темпа, сокращение периодов напряжения и расслабления мышц превращает упражнения в скоростно-силовые, например, прыжки, а в борьбе используют броски манекена или партнера или упражнения из арсенала общефизической подготовки: прыжки, отжимания, подтягивания, сгибание и разгибание туловища, все эти действия выполняются с оптимальным темпом.

Продолжительность упражнений с субмаксимальной анаэробной интенсивностью, как правило, бывает 1-5 мин. Силовые упражнения выполняются с 16 и более повторениями в серии (подходе). Скоростно-силовые упражнения включают более 20 отталкиваний, а темповые - скоростные упражнения - 1-6 мин.

Интервал отдыха между сериями (подходами) существенно различается.

При выполнении силовых упражнений интервал отдыха превышает, как правило, 5 мин.

При выполнении скоростно-силовых упражнений иногда интервал отдыха сокращают до 2-3 мин. При выполнении скоростных упражнений интервал отдыха может составлять 2-9 мин.

Количество серий обусловлено целью тренировки и состоянием подготовленности спортсмена. В развивающем режиме 3-4 серии повторяются 2 раза. Количество тренировок в неделю определяется целью тренировочного задания. При общепринятом планировании нагрузок целью ставится увеличение мощности механизма анаэробного гликолиза.

Внутренняя сторона физического упражнения

Упражнения субмаксимальной анаэробной мощности требуют рекрутирования около половины двигательных единиц, а при выполнении предельной работы - и всех оставшихся.

Эти упражнения выполняются сначала за счет фосфогенов и аэробных процессов. По мере рекрутирования ГМВ накапливается лактат и ионы водорода. В ОМВ по мере исчерпания запасов АТФ и КрФ разворачивается окислительное фосфорилирование. Возможная предельная продолжительность таких упражнений колеблется от минуты до 5 минут.

Усиление деятельности вегетативных систем происходит в процессе работы постепенно. Через 20-30 с в ОМВ разворачиваются аэробные процессы, нарастает функция кровообращения и дыхания, которые могут достигнуть возможного максимума. Для энергетического обеспечения этих упражнений значительное усиление деятельности кислородтранспортной системы уже играет определенную энергетическую роль, причем тем большую, чем продолжительнее упражнение. Предстартовое повышение ЧСС очень значительно (до 150—160 уд./мин).

Мощность и предельная продолжительность этих упражнений таковы, что в процессе их выполнения показатели деятельности кислородтранспортной системы (ЧСС, сердечный выброс, легочная вентиляция - ЛВ, скорость потребления 02) могут быть близки к максимальным значениям для данного спортсмена или даже достигать их. Чем продолжительнее упражнение, тем выше на финише эти показатели и тем значительнее доля аэробной энергопродукции при выполнении упражнения. После этих упражнений регистрируется очень высокая концентрация лактата в рабочих мышцах и крови - до 20-25 ммоль/л. Соответственно, pH крови снижается до 7,0. При правильной организации тренировочного процесса у хорошо подготовленных спортсменов отмечается наименьшая степень закисления мышц и крови. Обычно заметно повышена концентрация глюкозы в крови - до 150 мг%, высоко содержание в плазме крови катехоламинов и гормона роста.

Таким образом, упражнения этой группы предъявляют весьма высокие требования как к анаэробным, так и к аэробным возможностям спортсменов.

Если использовать сложную модель, которая включает в себя сердечно-сосудистую систему и мышцы с различным типом MB (ОМВ, ПМВ, ГМВ), то получим следующие ведущие физиологические системы и механизмы:

энергообеспечение обеспечивается в основном ОМВ активных мышц,

мощность упражнения в целом превышает

мощность аэробного обеспечения, поэтому рекрутируются и ГМВ, которые через 30-60 с после рекрутирования теряют сократительную способность, что заставляет рекрутировать все новые и новые ГМВ. Они закисляются, молочная кислота выходит в кровь, диссоциирует на ион водорода и лактат. Ион водорода действует на буферные основания крови и вызывает появление избыточного углекислого газа, что усиливает до предела работу сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Очевидно, что при трансформации ГМВ в ПМВ или ОМВ спортсмены приобретают так называемую специальную выносливость.

Внутренние, физиологические процессы разворачиваются более интенсивно в случае выполнения повторной тренировки. В этом случае в крови увеличивается концентрация гормонов, а в MB и крови - концентрация лактата и ионов водорода, если отдых будет пассивным и коротким. Повторное выполнение упражнений с интервалом отдыха 2-4 мин приводит к предельно высокому накоплению лактата и ионов водорода в крови, как правило, число повторений не бывает больше четырех.

Долговременные адаптационные перестройки

Выполнение упражнений субмаксимальной алактатной мощности до предела относится к одним из самых психологически напряженных, поэтому не может использоваться часто. Существует мнение о влиянии этих тренировок на форсирование приобретения спортивной формы и быстрое наступление перетренировки.

Силовые упражнения, которые выполняются с интенсивностью 50-65% от максимума или с 20 и более подъемами груза в одном подходе, являются самыми опасными, ведут к очень сильному локальному закислению, а затем и повреждению мышц. Масса митохондрий от таких упражнений резко снижается во всех MB.

Таким образом, упражнения субмаксимальной анаэробной мощности и предельной продолжительности нельзя применять в тренировочном процессе.

Силовые упражнения можно выполнять не до отказа, например: можно поднять груз 20-40 раз, а спортсмен его поднимает только 10-15 раз. В этом случае не возникает локального утомления, нет сильного закисления мышц, поэтому при многократном повторении с достаточным интервалом отдыха для устранения образующейся молочной кислоты возникает ситуация, стимулирующая развитие митохондриальной сети в ПМВ и некоторой части ГМВ. Следовательно, околомаксимальное анаэробное упражнение дает вместе с паузами отдыха аэробное развитие мышц.

Высокая концентрация Кр и умеренная концентрация ионов водорода могут существенно изменить массу миофибрилл в ПМВ и некоторых ГМВ. В ОМВ существенных изменений не происходит, поскольку в них не накапливаются ионы водорода, поэтому не происходит стимуляции генома, затруднено проникновение анаболических гормонов в клетку и ядро. Масса митохондрий при выполнении упражнений предельной продолжительности расти не может, поскольку в ПМВ и ГМВ накапливается значительное количество ионов водорода, которые стимулируют катаболизм в такой степени, что он превышает мощность процессов анаболизма.

Сокращение продолжительности выполнения упражнения субмаксимальной анаэробной мощности устраняет негативный эффект упражнений этой мощности.

Таким образом, упражнения субмаксимальной анаэробной мощности, выполняемые до отказа, приводят к чрезмерно большому закислению мышц, поэтому снижается масса миофибрилл и митохондрий в ПМВ и ГМВ, а при выполнении этих упражнений до легкого утомления (закисления) мышц в интервалах отдыха активизируется окислительное фосфорилирование в митохондриях в ПМВ и части ГМВ, что в итоге приведет к росту массы митохондрий в них.

Аэробные упражнения

Мощность нагрузки в этих упражнениях такова, что энергообеспечение рабочих мышц может происходить (главным образом или исключительно) за счет окислительных (аэробных) процессов, связанных с непрерывным потреблением организмом и расходованием работающими мышцами кислорода. Поэтому мощность в этих упражнениях можно оценивать по уровню (скорости) дистанционного потребления 02. Если дистанционное потребление 02 соотнести с предельной аэробной мощностью у данного человека (т. е. с его индивидуальным АнП), то можно получить представление об относительной аэробной физиологической мощности выполняемого им упражнения. По этому показателю среди аэробных циклических упражнений можно выделить пять групп: (1) упражнения максимальной аэробной мощности (100-110% АнП); (2) упражнения околомаксимальной аэробной мощности (90-100% АнП); (3) упражнения субмаксимальной аэробной мощности (80-90% МПК); (4) упражнения средней аэробной мощности (65-80% АнП); (5) упражнения малой аэробной мощности (65% от АнП и менее).

Аэробные возможности мышц необходимо оценивать в ступенчатом тесте по мощности или потреблению кислорода на уровне анаэробного порога.

Мощность МПК выше у спортсменов с большей долей в мышцах ГМВ, которые могут постепенно рекрутироваться для обеспечения заданной мощности. В этом случае по мере подключения ГМВ, увеличения закисления мышц и крови испытуемый начинает подключать к работе дополнительные мышечные группы с еще не работавшими ОМВ, поэтому растет потребление кислорода. Ценность такого увеличения потребления кислорода минимальна, поскольку существенной прибавки механической мощности эти мышцы не дают. Если ОМВ много, а ГМВ почти нет, то мощность МПК и АнП будут почти равны.

Ведущими физиологическими системами и механизмами, определяющими успешность выполнения аэробных циклических упражнений, служат функциональные возможности кислородтранспортной системы и аэробные возможности рабочих мышц.

По мере снижения мощности этих упражнений (увеличение предельной продолжительности) уменьшается доля анаэробного (гликолитического) компонента энергопродукции. Соответственно, снижаются концентрация лактата в крови и прирост концентрации глюкозы в крови (степень гипергликемии). При упражнениях длительностью в несколько десятков минут гипергликемии вообще не наблюдается. Более того, в конце таких упражнений может отмечаться снижение концентрации глюкозы в крови (гипогликемия).

Чем больше мощность аэробных упражнений, тем выше концентрация катехоламинов в крови и гормона роста. Наоборот, по мере снижения мощности нагрузки содержание в крови таких гормонов, как глюкагон и кортизол, увеличивается, а содержание инсулина уменьшается.

С увеличением продолжительности аэробных упражнений повышается температура тела, что предъявляет повышенные требования к системе терморегуляции.

Упражнения максимальной аэробной мощности

Это упражнения, в которых преобладает аэробный компонент энергопродукции - он составляет до 80-90%. Рекрутирование ГМВ происходит по мере выполнения упражнения. Из них выходит молочная кислота и проникает в ОМВ, поэтому основным энергетическим субстратом при выполнении этих упражнений служит мышечный гликоген активных ГМВ. Предельная продолжительность таких упражнений -3-15 мин.

Через 1,5-2 мин после начала упражнений достигаются максимальные для данного человека ЧСС, систолический объем крови и сердечный выброс, рабочая Л В, скорость потребления 02 (АнП). По мере продолжения упражнения Л В, концентрация в крови лактата и катехоламинов продолжают нарастать. Показатели работы сердца и скорость потребления 02 либо удерживаются на максимальном уровне (при состоянии высокой тренированности), либо начинают несколько снижаться.

После окончания упражнения концентрация лактата в крови достигает 10-16 ммоль/л в обратной зависимости от предельной продолжительности упражнения (спортивного результата). Надо заметить, что чем выше квалификация (подготовленность) спортсмена, тем меньше он закисляется. Например, великие велосипедисты - Армстронг и Индурайн при достижении мощности МПК закислялись до не более 6 ммоль/л лактата в крови.

Ведущие физиологические системы и механизмы - общие для всех аэробных упражнений, кроме того, существенную роль играет мощность лактацидной (гликолитической) энергетической системы рабочих мышц, т. е. масса ГМВ.

Упражнения предельной продолжительности максимальной аэробной мощности могут применять в тренировке только спортсмены с мощностью АнП на уровне более 70% от МПК. У этих спортсменов не наблюдается сильного закисления MB и крови, поэтому в ПМВ и части ГМВ создаются условия для активизации синтеза митохондрий.

Если у спортсмена мощность АнП менее 70% от МПК, то использовать упражнения максимальной аэробной мощности можно только в виде повторного метода тренировки, который при правильной организации не приводит к вредному закислению мышц и крови спортсмена.

Долговременный адаптационный эффект Упражнения максимальной аэробной мощности требуют рекрутирования всех ОМВ, ПМВ и некоторой части ГМВ, если выполнять упражнения непредельной продолжительности, применить повторный метод тренировки, то тренировочный эффект будет отмечаться только в ПМВ и некоторой части ГМВ в виде очень малой гиперплазии миофибрилл и существенного увеличения массы митохондрий в активных ПМВ и ГМВ.

Упражнения околомаксимальной аэробной мощности

Упражнения околомаксимальной аэробной мощности на 90—100% АнП обеспечивается окислительными (аэробными) реакциями в рабочих мышцах. В качестве субстратов окисления используются в большей мере углеводы, чем жиры (дыхательный коэффициент около 1,0). Главную роль играет гликоген рабочих мышц и в меньшей степени - глюкоза крови (на второй половине дистанции). Рекордная продолжительность упражнений до 30 мин. В процессе выполнения упражнений ЧСС находится на уровне 90_95%, ЛВ - 85-90% от индивидуальных максимальных значений. Концентрация лактата в крови после предельного упражнения у высококвалифицированных спортсменов - менее 6 ммоль/л. В процессе выполнения упражнения происходит существенное повышение температуры тела - до 39 °С.

Упражнение выполняется на уровне анаэробного порога или немного выше его. Поэтому работают ОМВ и ПМВ. Упражнение приводит к увеличению массы митохондрий только в ПМВ.

Упражнения субмаксимальной аэробной мощности

Упражнения субмаксимальной аэробной мощности выполняется на уровне аэробного порога, поэтому работают только ОМВ. Окислительному расщеплению подвергаются жиры в ОМВ, углеводы в активных ПМВ (дыхательный коэффициент примерно 0,85-0,90). Основными энергетическими субстратами служат гликоген мышц, жир рабочих мышц и крови, и, по мере продолжения работы, глюкоза крови. Рекордная продолжительность упражнений -до 120 мин. На протяжении упражнения ЧСС находится на уровне 80-90%, а ЛВ - 70-80% от максимальных значений для данного спортсмена. Концентрация лактата в крови обычно не превышает 3 ммоль/л. Она заметно увеличивается только в начале бега или в результате длительных подъемов. На протяжении выполнения этих упражнений температура тела может достигать 39-40 °С.

Ведущие физиологические системы и механизмы - общие для всех аэробных упражнений.

Продолжительность зависит в наибольшей мере от запасов гликогена в рабочих мышцах и печени, от запаса жира в ОМВ активных мышц.

Существенного изменений в MB от таких тренировок не происходит. Эти тренировки могут использоваться для дилатации левого желудочка сердца, поскольку ЧСС составляет 100-150 уд./мин, т.е. ударный объем сердца максимальный.

Упражнения средней аэробной мощности

Упражнения средней аэробной мощности обеспечиваются аэробными процессами. Основным энергетическим субстратом служат жиры рабочих мышц и крови, углеводы играют относительно меньшую роль (дыхательный коэффициент около 0,8). Предельная продолжительность упражнения - до нескольких часов.

Кардиореспираторные показатели не превышают 60-75% от максимальных для данного спортсмена. Во многом характеристики этих упражнений и упражнений предыдущей группы близки.

Упражнения малой аэробной мощности

Упражнения малой аэробной мощности обеспечивается за счет окислительных процессов, в которых расходуются главным образом жиры и в меньшей степени углеводы (дыхательный коэффициент менее 0,8). Упражнения такой относительной физиологической мощности могут выполняться в течение многих часов. Это соответствует бытовой деятельности человека (ходьба) или упражнениям в системе занятий массовой или лечебной физической культурой.

Долговременные адаптационные процессы практически не наблюдаются, поскольку соотношение между массой миофибрилл и митохондрий достигает предельного значения. Любая продолжительность тренировочных занятий не приводит к существенным адаптационным изменениям.

Таким образом, упражнения средней и малой аэробной мощности не имеют существенной значимости для роста уровня физической подготовленности, однако они могут использоваться в паузах отдыха для увеличения потребления кислорода, для более быстрого устранения закисления крови и мышц.

Заключение

Современные представления о биоэнергетике мышечной деятельности свидетельствуют о том, что основным механизмом закисления MB является недовосстановление запасов молекул АТФ в MB. В ОМВ избыток ионов водорода поглощается митохондриями. В ГМВ митохондрий мало, нет механизмов для элиминации ионов водорода, поэтому происходит накопление ионов водорода и лактата, работоспособность их падает по мере закисления. Для роста локальной мышечной выносливости следует увеличить в ГМВ массу митохондрий, т.е. преобразовать сначала в ПМВ, а затем и в ОМВ.

Мощность и продолжительность физического упражнения вызывают срочные адаптационные процессы в организме спортсменов. Анализ упражнений различной метаболической мощности показал, что наиболее эффективными для роста массы миофибрилл являются упражнения максимальной, околомаксимальной и субмаксимальной анаэробной мощности. Эффект влияния этих упражнений связан с появлением в ГМВ свободного креатина, ионов водорода и увеличением концентрации анаболических гормонов в крови и MB. Однако выполнение упражнений околомаксимальной и субмаксимальной анаэробной мощности предельной продолжительности вызывает столь сильное закисление MB, что это приводит к разрушению миофибрилл и митохондрий, потере спортивной формы.

Классификация физических упражнений по интенсивности метаболических процессов недостаточна для относительно полного представления о типах упражнений, которые могут использоваться в различных видах спорта. Классификация охватывает значительно больший объем пространства возможных физических упражнений, если производить классификацию по внешним признакам (интенсивность сокращения мышц, интенсивность упражнения, продолжительность упражнения, интервал отдыха, количество повторений и количество тренировок в микроцикле), по внутренним срочным адаптационным процессам (мышцы участвующие в упражнении, рекрутированные MB, активность биохимических процессов в ОМВ, ПМВ и ГМВ, реакция сердечно-сосудистой и дыхательной систем, эндокринной системы), по результатам долговременных адаптационных процессов (гиперплазия миофибрилл, митохондрий в ГМВ, ПМВ и ОМВ).

Обозначения

АД - артериальное давление.

АДФ - аденозиндифосфат.

АКТГ - адренокортикотропный гормон.

АнП - анаэробный порог.

АТФ - аденозинтрифосфат.

АэП - аэробный порог.

ГМВ - гликолитические мышечные волокна.

ДАД - диастолическое артериальное давление.

ДЕ - двигательная единица.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота.

Кр - креатин.

КрФ - креатинфосфат.

ЛВ - легочная вентиляция.

ЛГ _ лютеинезирующий гормон.

ЛДГ _ лактатдегидрогеназа.

MB - мышечное волокно.

ММВ - медленные мышечные волокна.

МОК - минутный объем кровотока.

МПК - максимальное потребление кислорода.

ОМВ - окислительные мышечные волокна.

ПМВ - промежуточные мышечные волокна.

РНК - рибонуклеиновая кислота.

САД - систолическое артериальное давление.

УОС - ударный объем кровотока.

Ф - неорганический фосфат.

ФСГ - фолликулостимулирующий гормон.

ЦНС - центральная нервная система.

ЧСС - частота сердечных сокращений.

ЭПС - эндоплазматическая сеть.

Р - давление крови.

Глоссарий

Адаптационный синдром - общий адаптационный синдром, совокупность общих защитных реакций, возникающих в организме животных и человека при действии значительных по силе и продолжительности внешних и внутренних раздражителей. Адаптация - процесс приспособления строения и функций организмов и их органов к условиям среды.

Адаптация физиологическая - совокупность физиологических реакций, лежащая в основе приспособления организма к изменению окружающих условий и направленная на сохранение относительного постоянства его внутренней среды - гомеостаза.

Анаэробный механизм энергообеспечения -

(1) креатинфосфатазный (фосфогенный или алактатный) механизм - перефосфорилирование между креатинфосфатом и АДФ;

(2) миокиназный - синтез (ресинтез) АТФ при реакции трансфосфорилирования 2-х молекул АДФ (аденилатциклаза); (3) гли-колитический (лактатный) - анаэробное расщепление глюкозы крови или запаса гликогена, заканчивающееся образованием молочной кислоты. Прямым следствием гликолиза является недовосстановление молекул АТФ, что ведет к критическму снижению pH.

Гормон роста (соматотропный гормон, СТГ, соматотропин, соматропин) - один из гормонов передней доли гипофиза, относится к пептидным гормонам, оказывает мощное анаболическое и антикатаболическое действие.

Лизосома - клеточный органоид размером 0,2-0,4 мкм, функциями которого являются переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток), аутофагия - уничтожение ненужных клетке структур, например, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки, и автолиз - самопереваривание клетки, приводящее к ее гибели.

Митохондрия - двумембранная гранулярная или нитевидная органелла толщиной около 0,5 мкм, энергетическая станция клетки; основная функция - окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ, который происходит за счет движения электрона по электронно-транс-портной цепи белков внутренней мембраны.

Моделирование - исследование объектов познания на их моделях.

Модель (в широком понимании) - образ или прообраз (образец) какого-либо объекта или системы объектов («оригинала» данной М.), используемый при определенных условиях в качестве их «заместителя» или «представителя».

Модель имитационная — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Модель математическая - приближённое описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики.

Окислительное фосфорилирование - один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ с помощью митохондрий.

Система - множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.

Спортивная адаптология - научное направление моделирования клеток, органов, систем органов и целого организма для имитации и предсказания срочных и долговременных адаптационных процессов в организме спортсменов.

Стероидные гормоны - группа физиологически активных веществ (половые гормоны, кортикостероиды и др.), регулирующих процессы жизнедеятельности у животных и человека.

Библиография

Амосов Н.М., Палец Б. Л., Агапов Б. Т. и др. (1977). Теоретические исследования физиологических систем. Киев: Наукова думка, 240 с. [Представлены математические модели работы сердечно-сосудистой системы, механизмы срочной адаптации на изменение внутренней среды.]

Герман И. (2011). Физика организма человека. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 992 с. [Представлены биомеханические и физиологические модели различных систем организма.]

Меерсон Ф.З. Пшенникова М. Г. (1988). Адаптация к стрессорным ситуациям и физическим нагрузкам. М.: Медицина, 256 с. [Представлены метологические и экспериментальные исследования срочных и долговременных процессов адаптации сердечно-сосудистой системы к физическим нагрузкам.]

Мякинченко Е. Б., Селуянов В. Н. (2005). Развитие локальной мышечной выносливости в циклических видах спорта. М.: ТВТ Дивизион, 338 с. [На основе моделей систем и органов организма спортсменов рассматриваются вопросы планирования тренировочных нагрузок для получения требуемых адаптационных перестроек в организме спортсменов.]

Селуянов В. Н. (2001). Подготовка бегуна на средние дистанции. М.: СпортАкадем-Пресс, 104 с. [Анализируются системы подготовки бегунов и приводятся результаты имитационного моделирования долговременных адаптационных процессов у бегунов.]

Селуянов В. Н., Мякинченко Е. Б., Тураев В. Т. и др. (1996). Теория и практика дидактики развивающего обучения в подготовке специалистов по физическому воспитанию. М.: ФОН, 106 с. [Описаны математические модели срочных и долговременных адаптационных процессов.]

Эндокринная система, спорт и двигательная активность/Под ред.У.Дж. Креме-ра, А. Д. Рогола. (2008). Киев: Олимп, л-ра, 600 с. [Представлены механизмы функционирования и адаптации эндокринной системы при занятиях спортом.]

Nigg В., Macintosh В., Mester J. (2000). Biomechanics and biology of movement. N-Y.: Human Kinetics, 468 с. [Описаны биомеханические и биоэнергетические модели для описания срочных и долговременных адаптационных процессов в различных видах движений и спорта.]

Биографическая справка

Виктор Николаевич Селуянов родился в 1946 г., профессор, кандидат биологических наук, заслуженный работник физической культуры. С 1972 г. работает в Российском государственном университете физической культуры, спорта и туризма (РГУФКСиТ), профессор кафедры естественнонаучных дисциплин. Имеет более 300 публикаций. Научные интересы связаны с решением проблем спортивной биомеханики, спортивной антропологии, спортивной физиологии, теории спорта. Разработал новые научные направления: спортивную адаптоло-гию, технологию оздоровительной физической культуры - ИЗОТОН, методику прижизненного определения массинерционных характеристик сегментов тела человека, концепцию биомеханического анализа двигательных действий на основе понятия «биомеханизм».

Поиск

Спортивная адаптология

Содержание