ГоловнаЗворотній зв'язок

Возрастная физиология

Работа мышц

Любое движение, которое совершает человек, происходит за счет сокращения его мышц. Сокращаясь, мышцы приводят в дей­ствие систему рычагов, из которых состоит скелет, за счет их пе­ремещения и происходит движение рук, ног, туловища, головы, каждого пальца и т.д. Из школьного курса физики известно: для того чтобы какое-либо тело начало двигаться, необходимо к нему приложить силу, а результат перемещения представляет собой работу. Например, если гиря массой 1 кг поднята на высоту 1 м, то совершена работа I кГм (килограммометр). Сокращение мышц позволяет перемещать в пространстве части тела и грузы, т.е. вы­полнять мышечную работу.

Виды мышечной работы. Между физической работой и мышеч­ной работой есть одно важное различие. Если груз находится на какой-то поверхности и давит на нее, но нс перемещается, то с точки зрения физики никакой работы при этом не совершается. Если же этот груз лежит, например, на ладони, и также никуда не перемещается, мышечная работа все равно совершается, толь­ко эта работа связана не с перемещением, а с удержанием груза. Принято разделять мышечную работу на динамическую (переме­щение в пространстве) и статическую (удержание в простран­стве). Если человек просто стоит, то и тогда мышцы ног и тулови­ща выполняют статическую работу. Всякая двигательная активность осуществляется за счет чередования динамической и статической работы мышц.

Для того чтобы совершилась динамическая работа, необходи­мо, чтобы сократившаяся мышца укоротилась. Тогда она сдвинет, приблизит друг к другу те элементы скелета, к которым прикреп­лена с помощью сухожилий своими концами. Например, если человек сгибает руку в локте, то при этом сокращается и укора­чивается лвуглавная мышца плеча, подтягивая дальний конец предплечья, к которому прикреплено сухожилие, ближе к плечу. Внутримышечное давление при этом почти не меняется, а мыш­ца сильно изменяется в форме и размере. Такой режим сокраще­ния мышцы называется изотоническим (от лат. «изо» — постоян­ный, одинаковый; тонус — давление).

Совсем иначе работает мышца при статической нагрузке. Если удерживать на ладони вытянутой руки груз, то будет сокращать­ся та же двуглавая мышца плеча, но при этом се дій на нс изме­нится (иначе бы предплечье, кисть и груз начали перемещать­ся), а внутримышечное давление сильно возрастет. Такой режим сокращения мышцы называется изометрическим («мстрос» — раз­мер, длина). В ряде случаев мышцы работают в смешанном режи­ме, одновременно укорачиваясь и развивая значительное внут­римышечное давление. Такой смешанный режим работы мышцы называется плеометрическим (от «плео» — полный, многочис­ленный).

Для организма важен нс только объем работы, но и интенсив­ность, с которой она производится. В тех случаях, когда работа может быть точно измерена, показателем интенсивности являет­ся мощность, т.е. количество работы, выполняемой в единицу времени.

Зоны мощности. Мощность (интенсивность) совершаемой че­ловеком мышечной работы никогда не равна нулю, так как даже лежа, в полном покое, человек непрерывно совершает работу, связанную с поддержанием позы, у него сокращаются дыхатель­ные мышцы, многие мелкие мышцы. Однако мощность мышеч­ной работы не может увеличиваться беспредельно: у каждого че­ловека есть определенный максимальный уровень интенсивности, превысить который человек не может (как невозможно, напри­мер, сдвинуть за счет мускульной силы стену кирпичного здания или многотонную глыбу). Диапазон между минимальным и мак­симальным уровнем интенсивности мышечной работы называет­ся функциональным диапазоном скелетных мышц. Этот функцио­нальный диапазон не является однородным и состоит из отдельных зон мощности. Чем выше мощность работы, тем меньше время, в течение которого эта мощность может поддерживаться. В зоне уме­ренной мощности работа может продолжаться от нескольких ча­сов до получаса. В зоне большой мощности длительность работы не превышает 30 мин. В зоне субмаксимальной мощности длитель­ность работы колеблется от 3 мин до 30 с. В зоне максимальной мощности время работы может быть 30 с или меньше.

Для каждой из зон мощности характерны свои, специфиче­ские особенности энергетического и вегетативного обеспечения мышечной работы. Так, в зоне умеренной мощности работа обес­печивается почти исключительно аэробными механизмами, в со­кращениях принимают участие главным образом «медленные» двигательные единицы, входящие в их состав мышечные волокна получают энергию благодаря окислению углеводов и жиров в ми­тохондриях, поэтому здесь крайне важна бесперебойная доставка достаточного количества кислорода. В зоне максимальной мощно­сти работают в основном волокна типа ПА, которые обладают большой мощностью и большим запасом креатинфосфата. В зоне субмаксимальной мощности преимущественно активированы во­локна типа ПВ, для которых главным источником энергии явля­ется анаэробный гликолиз. Они не зависят непосредственно от поставки кислорода, но в процессе работы вырабатывают боль­шое количество молочной кислоты, которую необходимо удалить, чтобы не произошло закисление внутренней среды организма. Эта задача решается в организме за счет активации окислительных про­цессов в печени, не сокращающихся мышцах и некоторых других органах. Зона большой мощности характеризуется смешанным энер­гообеспечением, т.е. совместным функционированием аэробного и анаэробно-гликолитического источников энергии. Работа в этой зоне обеспечивается сокращением волокон обоих типов.

Структура зон мощности определяется объективными закона­ми сокращения мышц, а также зависит от индивидуальных, по­ловых, возрастных особенностей. Так, в период от 7 до 17 лет относительная ширина зон мощности и их соотношение между со­бой значительно меняется (рис. 38). С возрастом расширяется весь функциональный диапазон, особенно за счет увеличения зон боль­шой, субмаксимальной и максимальной мощности. О физиологи­ческих причинах этих возрастных изменений будет сказано ниже.

Экономичность мышечной работы. Согласно закону сохранения энергии, для того чтобы выполнить любую работу, необходимо затратить пропорциональное количество энергии. При этом затра­ты энергии всегда значительно больше, чем объем выполненной работы. Отношение выполненной работы к затраченной энергии называется коэффициентом полезного действия и выражается в процентах.

Коэффициент полезного действия (КПД) характеризует эко­номичность мышечной работы и очень существенно варьирует в зависимости от вида и условий деятельности (табл.12). Для срав­нения здесь же приведены КПД некоторых технических устройств, созданных человеком за последние 200 лет.

Следует иметь ввиду, что КПД системы есть произведение част­ных КПД всех элементов системы. КПД организма при мышечной работе представляет собой произведение следующих частных КПД:

1)    КПД мышечного сокращения                                             — 80%;

2)    КПД ресинтеза макроэргов                                                 — 90%;

3)    КПД транспортных систем организма                            — 60%;

4)    КПД биомеханических структур организма    — 80%.

Таблица 12

КПД различных движителей и скелетных мышц человека в разных условиях деятельности

 

Движитель

Вид деятельности (рол работы), техническое средство

КПД,

%

Паровая машина

Паровоз, паровой молот и т.п.

5-8

Д и и гатс л ь в і гутрсі шего сгорания

Автомобиль, поршневой самолет

20-25

Дизельный двигатель

Автомобиль, моторное судно, трактор

35-40

Ядерная энергетическая установка

Судовой энергоблок; АЭС

30

Рса кти ни ы й дв и га те л ь

Реактивный самолет, ракета

15-20

Эле ктродви гатсл ь

Электрические приводы машин и механизмов

70-80

Скелетные мышцы человека

Скоростной бег, подъем штанги, прыжок

10-12

 

Бег на средние дистанции, игра в хоккей, большой теннис

12-15

 

Бег на длинные дистанции, лыжные гонки, велосипед (шоссе) Марафонский бег, прогулка

18-20 25-30

Интенсивность нагрузки, при которой отмечается самый вы­сокий КПД мышечной работы характеризует зону экономичных ре­жимов мышечной деятельности. Эта зона расположена между зо­нами умеренной и большой мощности. Работа такой интенсивности наиболее благоприятна для поддержания функциональных воз­можностей человека, но ее тренировочный эффект невелик: она оптимальна для разминки и восстановительных упражнений пос­ле напряженной физической нагрузки.

Всякий нормальный человек в естественных условиях произ­вольной деятельности выбирает такую интенсивность движений, которая соответствует зоне экономичных режимов (принцип энер­гетического оптимума Ньюбар-Контини). Это правило справедли­во для здоровых людей в возрасте от 6 до 70 лет. Однако с годами у человека меняется интенсивность, соответствующая зоне эко­номичных режимов. Поэтому при проведении физкультурных за­нятий в смешанных возрастных группах (например, в условиях туристических походов, массовых забегов и т.п.) не всегда удает­ся выбрать такой темп движений, который был бы одинаково оптимален для маленьких и больших. Это необходимо учитывать.

 

Энергетическое и вегетативное обеспечение мышечной работы

Затраты энергии при мышечной деятельности могут быть учте­ны и измерены достаточно полно. Энергетические затраты зави­сят от интенсивности и объема нагрузки. Суммарные энергозатра­ты складываются из непременных энергетических затрат на под­держание жизнедеятельности организма; энергетических затрат па обеспечение сокращения выполняющих работу скелетных мышц; дополнительных энергетических затрат на усиленную работу сер­дечно-сосудистой, дыхательной и других систем при мышечной деятельности; постоянных энергетических затрат на поддержание позы; нарастающих энергетических затрат на нормализацию внут­ренней среды организма, изменяющейся под воздействием мы­шечной нагрузки.

Только в отдельных случаях удается количественно оценить каждый из этих компонентов энергозатрат. Главный смысл изме­нений деятельности всех физиологических систем при мышечной работе — обеспечение необходимого уровня энергетических за­трат в каждом из перечисленных компонентов.

Вегетативные системы. Физиологические системы организ­ма, обеспечивающие его нормальную жизнедеятельность в усло­виях покоя и мышечной деятельности, называются вегетатив­ными. К ним относятся дыхание, кровообращение, пищеварение, выделение и т.п. При мышечной работе активность всех вегета­тивных систем изменяется таким образом, чтобы создать наилуч­шие условия снабжения работающих мышц энергией, а также све­сти к минимуму те отрицательные сдвиги во внутренней среде организма, которые возникают вследствие интенсивных обмен­

пых процессов в мышцах. Со­ответствие активности вегета­тивных систем потребностям организма обеспечивается за счет нервной и гуморальной ре­гуляции.

Реакция вегетативных сис­тем на нагрузку. Если нагрузка на мышцы постепенно увели­чивается, т.е. растет мощность внешней механической работы, то соответственно увеличивают­ся потребление кислорода, ско­рость кровотока, вентиляция легких и т.п. Большинство по­казателей деятельности вегета­тивных систем организма линей­но зависит от мощности нагруз­ки, т. е. увеличение мощности па некоторую конкретную величи­ну приводит к соответствующему, всегда одинаковому, увеличе­нию таких показателей, как, например, потребление кислорода, частота пульса и др. (рис. 39). Однако это справедливо только в том случае, если такие измерения производятся при работе в устой­чивом состоянии, т.е. не менее чем через 2—3 мин после начала нагрузки или ее очередного повышения. Эти 2—3 мин необходи­мы организму для того, чтобы отрегулировать уровень активности вегетативных функций в соответствии с энергетическим запасом скелетных мынш.

Линейная зависимость между величиной нагрузки и показате­лями деятельности физиологических систем организма позволяет оценивать интенсивность нагрузки по величине частоты пульса или потребления кислорода, когда строгое измерение мощности работы невозможно. И наоборот, зная величину нагрузки, можно прогнозировать уровень активности той или иной физиологиче­ской системы. На этом основана, в частности, методика измере­ния «физической работоспособности при пульсе 170 уд/мин» (со­кращенно — ФРіто> или PWC|7() — по первым буквам английских слов «физическая», «работа», «способность»). Эта методика тако­ва: испытуемый выполняет поочередно два различных по нагруз­ке задания и оба раза у него измеряют частоту пульса в устойчи­вом состоянии, т.е. не ранее, чем через 3 мин после начала рабо­ты. Полученные величины отмечают на графике точками, а затем проводят через них прямую и находят точку ее пересечения с пря­мой, отражающей уровень частоты пульса 170 уд/мин. Опустив из точки пересечения перпендикуляр на ось абсцисс с нанесенными

PWCno                       на ней величинами мощнос-

нагрузка

ти нагрузки (рис. 40), получа­ют результат, выраженный в единицах мощности. Это и бу­дет значением PWC|70. Вместо графического можно исполь­зовать способ расчета PWC|7n по формуле, основанной на уравнении прямой. Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохране­ния, тест Р\УС]7||Ли6о его ана­лог (PWC15(,, PWC130 и т.п.) проводится во всех случаях, когда необходимо определить физические кондиции челове­ка и охарактеризовать его фи­зическое здоровье.

Для детей и подростков школьного возраста определе­ние PWC170 может быть не­сколько упрощено за счет того, что вместо двух нагрузок допусти­мо задавать лишь одну, но обязательно, чтобы частота пульса при этом достигала 140 уд/мин или более. Тогда второй точкой на гра­фике можно отмечать значение пульса покоя. У дошкольников мо­ложе 6 лет корректное измерение величины PWC|7i, невозможно, поскольку они не могут поддерживать устойчивое состояние ак­тивности своих вегетативных функций.

Измерение PWC|7o простой и эффективный способ оценки функциональных возможностей организма при работе в зонах умеренной и большой мощности, в которых и осуществляется главным образом жизнедеятельность организма. Хотя измеряемой величиной в этом тесте является частота пульса, оцениваются в комплексе все составляющие кислород-транспортной системы орга­низма. Отклонения от нормы в любой из важнейших систем — кро­вообращения, дыхания, двигательного аппарата — сразу же про­явятся в значительно более низких показателях PWC17(). Напротив, почти любой вил тренированности приводит к существенному уве­личению PWC,70.

Нелинейные зависимости. Линейная зависимость показателей активности вегетативных систем организма от мощности имеет место только в диапазоне нагрузок, где энергетическое обеспече­ние непосредственно связано с доставкой кислорода к работаю­щим мышцам, т.е. в «аэробном» диапазоне (зоны умеренной и большой мощности). Если же заданная нагрузка лежит в зоне суб­максимальной или максимальной мощности, то линейной зави­симости между показателями работы физиологических функций и уровнем нагрузки не наблюдается (рис. 41). В большинстве случа­ев показатели деяте.чьности вегетативных систем растут по мере повышения мощности нагрузки до определенного предела, после которого их увеличение прекращается, а если мощность продол­жает возрастать, то возможно даже снижение этих показателей. Такой уровень активности вегетативной функции, который мо­жет быть достигнут при самой интенсивной работе в аэробных условиях, называется максимальным. Если функция достигла сво­его максимального уровня, то дальнейшее увеличение мощности нагрузки может привести только к снижению показателя.

Некоторые показатели активности вегетативных функций в естественных условиях мышечной деятельности не могут достичь своего максимального уровня. Так, максимальная вентиляция лег­ких возможна только при произвольном наиболее частом и глубо­ком дыхании. Другие функции, такие как частота пульса, объем­ная скорость кровотока и потребление кислорода, могут достичь максимума только в условиях мышечной деятельности. Максималь­ные уровни частоты пульса и потребления кислорода обычно до­стигаются при одинаковой нагрузке. Мощность такой нагрузки.

при которой частота пульса и потребление кислорода достигают максимального уровня, называют критической. Нагрузки крити­ческой мощности очень трудоемки и не могут продолжаться дол­го (обычно не более 3—5 мин).

Аэробная производительность и аэробный диапазон. Величина максимального потребления кислорода (МПК) — один из глав­ных показателей в физиологии мышечной деятельности. Физио­логический смысл величины МПК состоит в том, что она отра­жает суммарную пропускную способность всех механизмов транспорта кислорода, начиная от транспорта газов в легких и кончая транспортом электронов в митохондриях скелетпо-мышеч-ных волокон. При этом, поскольку скорость поглощения кисло­рода пропорциональна мощности работы, которая может за счет этою выполняться, величину МПК называют еще «аэробной про­изводительностью» организма.

Диапазон нагрузок от состояния покоя до критической мощ­ности, при которой достигается МПК, называют «аэробным диа­пазоном». Хотя большая часть потребности организма в энергии при нагрузках в аэробном диапазоне действительно покрывается за счет использования кислорода, бескислородные (анаэробные) источники также обязательно участвуют в энергообеспечении мышечной работы, по крайней мерс в период врабатывания.

Поддержание гомеостаза при мышечной нагрузке. Изменения внутренней среды, происходящие во время мышечной работы, требуют напряжения механизмов гомеостаза. Поскольку при на­грузке обменные процессы ускоряются во мною раз, во столько же раз больше образуется разнообразных продуктов, подлежащих удалению из организма, а также метаболической воды. Одновре­менно резко увеличивается температура тела, поскольку вся энер­гия, освободившаяся в клетках и не превращенная в механическую работу, преобразуется в тепло, и это тепло нагревает организм. Учитывая, что в режиме МПК человек вырабатывает около 1200— 1500 Вт энергии, и лишь 1/5 ее часть реализуется в виде механи­ческой работы, можно себе представить, как быстро нагрелся бы организм, если бы не работали системы терморегуляции.

Физиологическая «стоимость» физической работы. Физическая работа, которую выполняет человек, отнюдь не идентична той механической работе, которая оценивается с помощью эргомет-рических методов. Ни интенсивность, ни объем внешней механи­ческой работы, которую может выполнить человек, сами по себе ничего не говорят о той физиологической «цене», которую пла­тит организм при физической нагрузке. Под «физиологической ценой» нагрузки мы понимаем ту добавочную работу, которую вынуждены выполнять системы организма (в том числе в восста­новительном периоде) для компенсации затрат на поддержание гомеостаза. Для ее оценки можно использовать некоторые показа­тели сердечной деятельности и потребления кислорода, зарегист­рированные во время работы и н восстановительном периоде.

Возрастные этапы становления энергетики мышечной деятель­ности. Первый год жизни ребенка представляет собой период бур­ного становления мышечной функции и, разумеется, ее энерге­тического и вегетативного обеспечения. Этот этап продолжается до возраста 3 лет, после чего преобразования в мышцах тормозят­ся, и следующий этап начинается вместе с полуростовым скач­ком примерно в 5 лет. Важнейшим событием здесь является появ­ление уже близких ко взрослому варианту типов мышечных волокон, хотя их соотношение еще является «детским», да и функ­циональные возможности вегетативных систем еще недостаточно велики. В школьном возрасте ребенок проходит еще целый ряд этапов, только на последнем из них достигая «взрослого» уровня регуляции, функциональных возможностей и энергетики скелет­ных мышц:

1-й этап — возраст от 7 до 9 лет — период поступательного развития всех механизмов энергетического обеспечения с преиму­ществом аэробных систем;

2-й этап — возраст 9—10 лет — период «расцвета» аэробных возможностей, роль анаэробных механизмов мала;

3-й этап — период от 10 до 12—13 лет — отсутствие увеличения аэробных возможностей, умеренное увеличение анаэробных воз­можностей, развитие фосфагенного и анаэробно-глполитичес­кого механизмов протекает синхронно;

4-й этап — возраст от 13 до 14 лет — существенное увеличение аэробных возможностей, торможение развития анаэробно-глико-литического механизма энергообеспечения; фосфагенный меха­низм развивается пропорционально увеличению массы тела;

5-й этап — возраст 14—15 лет — прекращение увеличения аэроб­ных возможностей, резкое увеличение емкости анаэробно-глико-литического процесса, развитие фосфагенного механизма, по-прежнему, пропорционально увеличению массы тела;

6-й этап — период от 15 до 17 лет — аэробные возможности растут пропорционально массе тела, продолжают быстро рости анаэробпо-гликолитические возможности, значительно ускоряется развитие механизмов фосфагенпой энергопродукции, завершает­ся формирование дефинитивной структуры энергообеспечения мышечной деятельности.

На процессы созревания энергетических и вегетативных сис­тем огромное влияние оказывает половое созревание, так как половые гормоны непосредственно влияют на метаболические возможности скелетных мышц. Аэробное энергообеспечение, до­стигающее расцвета еще до начала пубертата, на первых его ста­диях даже несколько ухудшается, однако к возрасту 14 лет отме­чается новый рост возможностей аэробных систем энергообеспе­чсния. Это связано, в частности, с внутренними потребностями мышц, которым для последнего этапа дифференцировок требу­ются мощные окислительные системы. Анаэробное энергообес­печение резко активируется уже на начальных стадиях полового созревания, затем (III стадия) темп его совершенствования за­медляется, а после достижения IV стадии полового созревания (15—16 лет у мальчиков, 13—14 лет у девочек) наблюдается бур­ный рост анаэробных возможностей, особенно у юношей. Де­вушки в этот период уже сильно отличаются от юношей по ха­рактеру и уровню развития мышечной энергетики.

 

Вопросы и задания

1.  Расскажите о мышечных волокнах и их онтогенезе.

2.  Какова динамика роста мышц?

3.   Расскажите о видах мышечной работы. Что такое зоны мощности?

4.  Перечислите функции вегетативных систем. Какова их роль в обес­печении мышечной работы?

5.  Какие этапы становления энергетики мышечной деятельности вы знаете?

 

57