Физиологические основы физической культуры и спорта

Спортивная физиология — один из разделов физиологии человека, основным содержание которого является изучение механизмов фи­зиологических функций в процессе выполнения различных спортив­ных упражнений.

6.1. Классификация различных видов мышечной деятельности

При физиологической систематизации мышечной работы в каче­стве классификационных признаков выделяют объем активной мы­шечной массы, тип мышечных сокращений, силу и мощность со­кращений мышц, энерготраты.

В зависимости от объема работающих мышц выделяют локальные нагрузки, при которых активируется менее 1/3 всей мышечной массы тела, регионарные, когда сокращается от 1/3 до 2/3 всей мышечной массы, и глобальные, в осуществлении которых задействовано более 2/ 3 всей мышечной массы тела. При занятиях физической культурой и спортом большее число нагрузок относится к глобальным.

В соответствии с типом сокращения основных мышц, осущест­вляющих выполнение заданной работы, выделяют статические (со­хранение фиксированной позы, некоторые упражнения у гимнастов, стойка стрелка и др.) и динамические напряжения (ходьба, бег, езда на велосипеде, плавание и др.).

С учетом зависимости «нагрузка — скорость укорочения мышцы» при динамической работе проявляемая сила обратно пропорциональна скорости укорочения мышцы. Это означает, что чем больше внешняя нагрузка на мышцу, тем меньше скорость движения участка (звена) тела или укорочения мышцы. По проявлению силы мощности сокращений мышц физические упражнения подразделяются на:

1) силовые;

2) скоростно-силовые;

3) упражнения на выносливость.

При мышечной деятельности силового характера основные мыш­цы, участвующие в работе, развивают максимальное или почти мак­симальное напряжение в статическом или динамическом режиме, при малой скорости движений в условиях большого внешнего со­противления.

К скоростно-силовым относят такие виды работы, при которой ведущие мышечные группы проявляют относительно большую силу (30-50% от максимальной) и скорость сокращения (30-60% от мак­симальной скорости укорочения).

При работе на выносливость активные мышцы развивают не очень большие по силе и скорости сокращения, но способны выполнить их на протяжении от нескольких десятков минут до многих часов.

По показателям энерготрат работу обычно подразделяют на лег­кую, умеренную, тяжелую и очень тяжелую.

По мощности, развиваемой человеком во время выполнения раз­личных видов спортивных упражнений, выделяют работу максималь­ной мощности (предельное время такой работы 20-30 с), субмак­симальной мощности (от 20-30 с до 3-5 мин), большой мощности (от 3-5 мин до 30-40 мин) и относительно умеренной мощности (больше 30-40 мин). Эти зоны мощности являются общими для всех циклических движений.

В зависимости от характера изменений структуры движений во времени все их виды делят на циклические и ациклические. К цик­лическим упражнениям относят бег, езду на велосипеде, бег на лыжах и т.д. Для циклической работы характерно многократное повторение стереотипных движений при относительно постоянной силе и скорости сокращения. При ациклических упражнениях (ме­тания, прыжки, единоборства, гимнастические упражнения, спор­тивные игры и др.) постоянно меняется не только характер двига­тельной активности, но и мощность выполняемой работы.

6.2. Физиологическая характеристика состояний организма при спортивной деятельности

Во время тренировочных занятий или соревнований в изменениях функционального состояния организма человека выделяют три пе­риода: предстартовый, основной (период работы) и восстановитель­ный.

Предстартовое состояние. В предстартовом состоянии, возника­ющем за несколько минут или часов до начала соревнований, воз­растают частота сердечных сокращений, систолический объем и минутный объем кровообращения, повышается артериальное давле­ние, возрастают легочная вентиляция, энерготраты, температура тела.

Предстартовые изменения функций являются условно-рефлектор­ными реакциями. Они готовят организм в целом к предстоящей работе и ускоряют процессы врабатывания. Обусловлены эти изме­нения усилением деятельности симпато-адреналовой системы, о чем свидетельствует повышение концентрации норадреналина и адрена­лина в крови еще до начала работы.

В зависимости от характера изменений физиологических функций и эмоционального статуса спортсмена выделяют три вида предстар­товых состояний: первый — характеризуется умеренным эмоциональ­ным возбуждением и обеспечивает высокий спортивный результат;

для второго — характерно повышенное возбуждение центральной нервной системы, под влиянием которого работоспособность может как увеличиваться, так и уменьшаться; третий вид состояний отли­чается преобладанием тормозных процессов, приводящих, как пра­вило, к снижению спортивного результата.

Изменения состояния организма при разминке. Разминка — ком­плекс специальных упражнений, выполняемый перед тренировкой или соревнованием и способствующий ускорению процесса врабатывания, повышению работоспособности.

Физиологические эффекты разминки разнообразны. Она повышает возбудимость и активность сенсорных, моторных и вегетативных центров, усиливает деятельность эндокринных желез, создавая тем самым условия для более эффективной регуляции вегетативных и моторных функций при последующей работе. Повышается темпера­тура тела и, особенно, работающих мышц, благодаря чему увеличи­вается активность ферментов и, следовательно, скорость биохими­ческих реакций в мышечных волокнах, возбудимость и лабильность мышц, повышается скорость их сокращения.

Разминка усиливает работу систем, обеспечивающих транспорт кислорода к работающим мышцам. Возрастают легочная вентиляция, скорость диффузии Од из альвеол в кровь, минутный объем крово­обращения, расширяются артериальные сосуды скелетных мышц, увеличивается венозный возврат, повышается (благодаря увеличению температуры тела) интенсивность диссоциации оксигемоглобина в тканях.

Разминка спортсмена бывает общей и специальной. Общая раз­минка состоит из упражнений, способных повысить возбудимость центральной нервной системы, температуру тела, активизировать систему транспорта кислорода. Специальная часть разминки по своей структуре должна быть как можно ближе к характеру пред­стоящей деятельности.

Врабатывание. Постепенное увеличение работоспособности чело­века в начале выполнения спортивных упражнений называется врабатыванием. В это время происходит перестройка нейрогуморальных механизмов регуляции движений и вегетативных функций на новый, более напряженный режим деятельности и улучшение координации движений.

Скорость усиления деятельности физиологических систем во время врабатывания неодинакова. Двигательный аппарат, обла­дающий относительно высокой возбудимостью и лабильностью, на новый рабочий уровень настраивается быстрее, чем вегетативные системы. Так, например, во время интенсивного бега максимальная скорость движения достигается к 5-6 с. В то же время расширение артериальных сосудов мышц происходит за 60-90 с, а частота сер­дечных сокращений, систолический объем и минутный объем кро­вообращения достигают максимальных величин только через 1,5-2 мин. Даже при работе максимальной аэробной мощности требуемый уровень потребления кислорода достигается лишь через 2- 3 мин.

В связи с тем, что транспорт кислорода усиливается постепенно, в начале любой работы сокращение мышц осуществляется, в основ­ном, в анаэробных условиях. Разница между потребностью организ­ма в кислороде во время периода врабатывания и его реальным поступлением называется кислородным дефицитом. При не тяжелых нагрузках дефицит кислорода покрывается еще во время самой работы. При выполнении суб максимальных и максимальных физических упражнений возникающий дефицит кислорода ликвиди­руется после завершения работы, составляя часть общего кислород­ного долга.

Скорость изменения физиологических функций во время врабаты­вания зависит от интенсивности (мощности) выполняемой работы. Чем больше мощность, тем быстрее происходит усиление деятель­ности сердечно-сосудистой и дыхательной систем. При одинаковых по характеру и мощности упражнениях врабатывание происходит тем быстрее, чем выше уровень тренированности человека.

Состояние физиологических функций при работе. После окон­чания периода врабатывания при длительной аэробной работе воз­никает устойчивое состояние, на протяжении которого работоспо­собность и показатели физиологических функций, обеспечивающих транспорт кислорода, меняются незначительно. При работе макси­мальной и субмаксимальной мощности период устойчивого состоя­ния отсутствует, так как на всем ее протяжении происходит посто­янное нарастание частоты сердечных сокращений, систолического объема, минутного объема кровообращения и, соответственно, по­требления О_2.

Различают истинное и ложное устойчивое состояние физиологи­ческих функций при работе. Истинное устойчивое состояние харак­теризуется высокой согласованностью работы двигательного аппарата и вегетативных систем, участвующих в ее обеспечении. Функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем не достигают своих предельных величин. Ресинтез макроэргических фосфорных соеди­нений происходит за счет аэробных окислительных реакций. По­требление кислорода, как правило, ниже максимально возможных для человека величин. Молочная кислота почти не накапливается в мышцах, что обеспечивает сохранение кислотно-основного равнове­сия в жидких средах организма.

При ложном устойчивом состоянии потребление кислорода чело­веком либо близко к максимально возможной для него величине, либо даже равно ей. Несмотря на это, потребность мышц в кис­лороде все же полностью не удовлетворяется. Постепенно в орга­низме образуется и нарастает кислородный долг. С целью восполне­ния недостаточного поступления кислорода легочная вентиляция, частота сердечных сокращений и минутный объем кровообращения увеличиваются и достигают максимально возможных величин. Недо­статок кислорода ведет к усилению доли анаэробных процессов в обеспечении мышц энергией. В результате этого, в мышцах и в крови возрастает концентрация молочной кислоты. Происходит сдвиг рН крови в кислую сторону. Таким образом, при ложном устойчи­вом состоянии относительная стабильность физиологических функ­ций на протяжении работы обусловлена не соответствием их уров­ней запросам организма для обеспечения работы требуемой мощ­ности, а невозможностью их дальнейшего усиления.

Утомление — функциональное состояние человека, временно воз­никающее под влиянием продолжительной или интенсивной работы и приводящее к снижению ее эффективности.

Локализация и механизмы утомления. Относи­тельно локализации утомления, то есть о тех конкретных морфоло­гических структурах и физиологических системах, в которых разви­вается утомление, и о механизмах проявления утомления пока нет единого мнения. В зависимости от локализации структур, изменения в которых приводят к уменьшению работоспособности, механизмы утомления делятся на центральные и периферические. В случае ве­дущего значения центральных механизмов в развитии утомления, снижение работоспособности (например, при работе максимальной мощности) происходит вследствие понижения уровня функциональ­ной активности нервных структур, управляющих деятельностью мышц и их вегетативным обеспечением.

При физической работе большой длительности утомление возни­кает из-за изменений в деятельности вегетативной нервной и эн­докринной систем. Следствием этих изменений являются снижение скорости доставки кислорода к работающим мышцам и ухудшение эффективности энергообмена.

Помимо изменений в центральной нервной системе, утомление может вызываться процессами, происходящими в исполнительном звене нервно-мышечного аппарата. В этом случае говорят о пери­ферических механизмах утомления, среди которых выделяют, во-первых, блокаду проведения нервных импульсов с аксона мотонейро­на на мембрану мышечного волокна вследствие уменьшения выброса ацетилхолина из концевых веточек двигательного аксона (пресинаптический блок), или снижения скорости его разрушения ацетилхолинэстеразой (постсинаптический блок).

Во-вторых, выделяют недостаточность кальциевых механизмов мышечных клеток, ухудшающую процессы электромеханического со­пряжения в развитии сократительного процесса. Снижение рН, уменьшение запасов креатинфосфата и гликогена, увеличение тем­пературы мышц увеличивают задержку выхода ионов кальция из цистерн саркоплазматического ретикулума, усиливая тем самым ско­рость развития утомления.

В-третьих, отмечают изменения в самих работающих мышцах, воз­никающие вследствие:

1) истощения энергетических ресурсов скелет­ных мышц. При мощной и непродолжительной работе (длительность от 10 с до 2-3 мин) развитию утомления способствует уменьшение запасов фосфагенов (АТФ и Крф). Во время упражнений, длящихся более 15 мин, одной из причин утомления является истощение внут­римышечных запасов гликогена;

2) накопления в мышцах продуктов метаболизма, в первую очередь, молочной кислоты. При выполнении работы субмаксимальной мощности, то есть при ее предельной дли­тельности от 20 с до 2-3 мин, в энергообеспечении активных мышц преобладает анаэробный гликолиз. При этом концентрация молочной кислоты в крови возрастает в 10-20 раз, а в мышцах даже в сотни раз. В результате значительного уменьшения рН происходит снижение скорости образования актин-миозиновых мостиков и, следовательно, ухудшение сократительной функции мышц. Кроме того, понижается активность ключевых ферментов гликолиза, а значит и скорость энер­гопродукции;

3) недостаточного кровоснабжения мышц и, соответ­ственно, увеличения доли продукции энергии за счет анаэробных процессов, уменьшения скорости вымывания из мышц молочной кис­лоты и других продуктов метаболизма, снижающих эффективность сократительных процессов мышечных клеток.

Восстановление физиологических функций после прекращения спортивных упражнений. После окончания физической работы де­ятельность физиологических систем, обеспечивающих возможность ее выполнения, постепенно уменьшается и достигает дорабочего уров­ня. Этот процесс называется восстановлением, на протяжении ко­торого количественные показатели работы систем кровообращения и дыхания возвращаются к исходным параметрам, удаляются продукты метаболизма, восполняются энергетические субстраты, пластические вещества (белки и др.), ферменты. В этот период происходят также процессы, обеспечивающие повышение работоспособности организ­ма, то есть имеет место явление суперкомпенсации.

Восстановление кислородного запаса организма, фосфагенов, уг­леводов отражается в повышенном, по сравнению с дорабочим уров­нем, потреблении кислорода — кислородном долге. Процесс отдачи кислородного долга состоит в избыточном расходовании кислорода сверх уровня покоя за время периода восстановления. Потребляемый дополнительно кислород обеспечивает организм энергией, необходи­мой для осуществления всех восстановительных процессов. Скорость потребления кислорода на протяжении первых 2-3 мин после ра­боты снижается очень быстро. Это — алактатный компонент кис­лородного долга, связанный с использованием кислорода на быстрое восстановление израсходованных при работе фосфагенов мышц, пониженного содержания кислорода в венозной крови, с насыще­нием кислородом миоглобина. Последующее, замедленное восста­новление скорости потребления кислорода организмом человека на протяжении 30-60 мин — медленный (лактатный) компонент кисло­родного долга — связано, в основном, со сравнительно медленным устранением лактата из крови и межтканевой жидкости, накопив­шегося там во время тяжелой мышечной работы.

6.3.Физиологические основы спортивной тренировки

Состояние высокой работоспособности, которое достигается в результате спортивной тренировки, называется тренированностью. Различают общую тренированность и специальную — в избранном виде спорта. Физиологическая сущность развития тренированности состоит в том, что под влиянием систематической повторной работы с постепенным увеличением ее общего объема в организме человека происходят морфологические, биохимические и физиологические изменения, приводящие к повышению его работоспособности. Все эти изменения специфичны, то есть они зависят от особенностей тренирующих нагрузок.

Повышение работоспособности в избранном виде спорта обуслов­лено формированием и совершенствованием необходимых двигатель­ных навыков и развитием двигательных качеств — силы, скорости, выносливости, ловкости.

Физиологические механизмы развития двигательных навыков. Совершенствование спортивных упражнений связано с формирова­нием двигательных навыков. Двигательный навык представляет со­бой индивидуально приобретенную форму различных по сложности координации двигательных действий, образующуюся путем система­тической тренировки.

Фонд двигательных навыков человека состоит, с одной стороны, из врожденных двигательных действий (сосание, глотание, сгибание и разгибание конечностей в ответ на действие раздражителей и т.д.), с другой — из двигательных актов, формирующихся в про­цессе специального обучения на протяжении индивидуальной жизни. Человек рождается с крайне ограниченными по числу и сложности проявлений двигательных действий. В то же время, по наследству передается чрезвычайно важное свойство нервной системы — плас­тичность, обеспечивающее хорошую тренируемость, то есть спо­собность в процессе обучения овладевать новыми, сложными по координации, формами движений.

Физиологическим механизмом образования двигательных навыков, то есть механизмом тренируемости, благодаря которому формируют­ся новые виды двигательной деятельности, являются условные реф­лексы. Формирование новых двигательных навыков происходит на базе ранее приобретенных организмом координации. Чем больше у человека запас выработанных ранее двигательных актов, тем легче и быстрее он способен разучивать новые движения. Успешнее всего новые формы движений осваивают спортсмены, владеющие большим комплексом уже закрепленных сложных двигательных актов (гим­насты, акробаты, фигуристы).

В осуществлении новых двигательных актов важное значение имеет способность центральной нервной системы к экстраполяции. Про­цесс экстраполяции позволяет осуществлять как бы перенос уже имеющихся навыков и реализовать без предварительной подготовки новые координированные двигательные действия.

Двигательный навык представляет собой цепь двигательных актов, включающую несколько самостоятельных элементов (фаз, циклов), объединенных общей конечной целью. В процессе тренировки, на­правленной на формирование двигательного действия, отдельные компоненты движения выстраиваются в своеобразную систему пос­ледовательных двигательных актов в виде двигательного динамичес­кого стереотипа. Динамический стереотип в спортивных движениях относится только к последовательности осуществления их отдельных фаз. Временные отношения между фазами движений могут посто­янно варьировать.

Формирование двигательного навыка при занятиях спортом про­ходит через несколько стадий. Первая стадия: объединение отдельных элементов движения в целостное действие, характеризуется ирради­ацией возбуждения в моторной зоне коры с генерализацией ответ­ных двигательных реакций и вовлечением в работу «лишних» мышц. Во второй стадии, благодаря постепенной концентрации возбужде­ния, происходит улучшение координации движений, усиление сте­реотипности двигательных актов. В третьей стадии навык закрепля­ется, стабилизируется, достигается высокая степень координации и стереотипности движений.

Двигательные навыки, как и другие условные рефлексы, по мере закрепления становятся все более стойкими. При этом чем они проще по своей структуре, тем прочнее. После прекращения сис­тематической тренировки навык начинает утрачиваться. Быстрее всего разрушаются наиболее сложные в координационном плане компо­ненты двигательного навыка. Простые компоненты навыка могут сохраняться годами и даже десятилетиями. Так, человек, научив­шийся плавать, ездить на велосипеде, сохраняет эти навыки в про­стейшем варианте даже после больших перерывов.

Физиологические основы тренировки силы и скоростно-силовых качеств. Максимальная произвольная сила (МПС) мышц человека зависит от двух групп факторов: мышечных (периферических) и координационных (центральных).

Зависимость максимальной произвольной силы мышцы от пери­ферических факторов связана с механическими условиями действия мышечной тяги, с исходной длиной мышцы, площадью ее попере­чного сечения, с соотношением быстрых и медленных волокон в сокращающейся мышце, с внутренней ее температурой. При равен­стве всех перечисленных факторов максимально возможная сила мышцы в изометрическом режиме достигается в случае активации всех двигательных единиц и при сокращении всех волокон в режиме гладкого тетануса.

Координационные факторы, определяющие максимальную произво­льную силу, — это центральные механизмы управления деятельностью мышц. Среди них выделяют механизмы внутримышечной координации (число возбуждаемых мотонейронов мышцы и синхронизацию их импульсации во времени) и межмышечные координационные механизмы (выбор необходимых для выполнения поставленной задачи мышц-синергистов и сопряженное торможение мышц-антагонистов). В есте­ственных условиях максимальная произвольная сила всегда меньше, чем истинная максимальная сила мышцы. Последнюю определяют, раздражая у человека нерв, иннервирующий мышцу (например, трех­главую мышцу голени), импульсами электрического тока. Разница между истинной максимальной силой мышц и их максимальной про­извольной силой называется силовым дефицитом.

При тренировке силы мышц происходит умеренное повышение активности нейронов сенсорных и моторных центров. Усиливаются внутрицентральные и корково-спинальные функциональные связи моторных центров, обеспечивающие при выполнении силовых уп­ражнений максимально возможное по числу вовлечение в работу двигательных единиц. Улучшаются центральные координационные процессы управления различными мышечными группами.

В развитии максимальной силы сокращения мышцы имеют зна­чение ее структурные особенности: общее число мышечных волокон, их ход (прямой, косой), толщина волокон, количество миофибрилл в каждом волокне. При прочих равных условиях сила мышцы за­висит от ее поперечного сечения. Увеличение поперечника мышцы в результате специальной физической тренировки называется рабо­чей гипертрофией.

Выделяют два крайних типа рабочей гипертрофии мышечных во­локон — миофибриллярную и саркоплазматическую. При миофибриллярной рабочей гипертрофии увеличение поперечных размеров волокон обусловлено ростом числа и объема миофибрилл. Миофиб-риллярная гипертрофия возникает лишь при использовании в каче­стве тренировочных нагрузок усилий более 75% от максимальной произвольной силы.

В основе рабочей гипертрофии лежит интенсивный синтез мы­шечных белков. Роль стимулятора синтеза актина и миозина, а значит и рабочей гипертрофии, выполняет креатин, содержание которого в сокращающихся мышцах растет. Под влиянием гипоталамо-гипофизарной системы повышается продукция андрогенов (тестостерона). Возрастает количество рецепторов андрогенов в яд­рах и цитоплазме миоцитов. Повышается концентрация соматотропина и синтезируемых печенью соматомединов, ускоряющих утили­зацию аминокислот и глюкозы мышечными клетками, синтез про­теинов и развитие мышечной гипертрофии. Усиление поглощения аминокислот и глюкозы, синтеза РНК, ДНК и тканевых белков, а также увеличение количества сократительных белков актин-миозинового комплекса происходят преимущественно в быстрых волокнах. Кроме того, в процессе силовой тренировки возрастает количество белков саркоплазматического ретикулума, миозиновой АТФазы и миоглобина. Все это приводит к развитию миофибриллярной гипе­ртрофии, в основном, быстрых гликолитических волокон, увеличе­нию занимаемой ими площади в тренируемых мышцах и, следова­тельно, силы мышцы. Структурные адаптивные перестройки сопро­вождаются метаболическими. Имеет место локальное увеличение запасов креатинфосфата и гликогена, содержания и активности миокиназы, КФ-киназы и гликолитических ферментов, повышение мощности фосфагенной и гликолитической энергетических систем скелетных мышц.

Как и другие виды тренировки, силовая не изменяет композиции мышц, то есть соотношения в них быстрых и медленных волокон. При тренировке силовой направленности в мышце увеличивается процент быстрых гликолитических волокон и, соответственно, умень­шается процент быстрых окислительно-гликолитических.

Саркоплазматическая рабочая гипертрофия имеет место при дли­тельной тренировке ритмическими сокращениями, в процессе кото­рых мышцы работают в аэробных условиях. При этом типе гипе­ртрофии увеличение размеров мышечных волокон происходит, глав­ным образом, за счет увеличения объема саркоплазмы, а не сокра­тительных белков. Возрастает содержание несократительных белков, гликогена, креатинфосфата, миоглобина, число митохондрий. В свя­зи с этим мышечная сила либо не меняется, либо может даже уменьшаться. В то же время существенно возрастает аэробная вы­носливость таких мышц, то есть способность длительное время выполнять работу в аэробных условиях. Наиболее предрасположены к саркоплазматической гипертрофии медленные и быстрые окисли­тельно-гликолитические волокна.

В реальной жизни гипертрофия мышечных волокон представляет собой комбинацию двух описанных типов. Преобладание миофибриллярного или саркоплазматического типа зависит от характера тренировочных нагрузок.

Физиологические основы скоростно-силовых качеств (мощности). Мощность, как ведущее качество спортсмена, необходима для вы­полнения многих спортивных упражнений (метания, прыжки, борь­ба, спринтерский бег и т.д.). Чем большую мощность развивает спортсмен, тем большую скорость он может сообщить снаряду или собственному телу. Максимальная мощность является результатом оптимального сочетания силы и скорости. Отсюда следует, что мощность можно увеличить за счет повышения либо силы, либо скорости сокращения, либо силы и скорости одновременно.

Силовой компонент мощности. В значительной мере мощность определяется максимальной силой участвующих в работе мышц. Максимальная динамическая сила, измеряемая при концентрическом сокращении мышц, меньше, чем максимальная сила в изометричес­ком режиме. В связи с высокой специфичностью эффектов трени­ровки, изометрические нагрузки мало влияют на динамическую силу, а динамические ­- ­ на статическую. Отсюда следует, что для по­вышения динамической силы необходимо использовать, в первую очередь, динамические нагрузки.

Одной из разновидностей динамической мышечной силы является взрывная сила, характеризующая способность к быстрому проявле­нию мышечной силы. Взрывная сила определяет результативность метателей, прыгунов, спринтеров, борцов др. Критерием оценки и количественным показателем взрывной силы является градиент силы, то есть скорость ее нарастания. Градиент силы определяется как отношение величины максимально достигаемой силы ко времени ее нарастания.

Основными факторами, ответственными за развитие взрывной силы, являются координационные способности моторных центров и скоростные сократительные способности мышц. Среди координационных способностей центральной нервной системы основное значение имеют частота импульсации мотонейронов в начале разряда и степень синхронизации импульсации разных двигательных нейронов. Чем больше начальная частота импульсации (активации мышечных клеток), тем быстрее нарастает сила мышц.

Скоростные сократительные свойства скелетной мышцы зависят также от ее композиции, то есть соотношения числа быстрых и медленных волокон. Быстрые волокна составляют значительно боль­шую часть мышечной массы у представителей скоростно-силовых видов спорта (спринтеры, прыгуны, метатели).

Скоростной компонент мощности, развиваемой спортсменом во время выполнения физических упражнений, определяется, во-пер­вых, силой сокращения мышц. Согласно второму закону Ньютона, чем больше усилие прилагается к массе тела, тем больше скорость, с которой оно движется. Отсюда, чем больше сила мышц бедра, тем выше предельная скорость бега спринтера. Во-вторых, скоростными сократительными свойствами мышц. Чем больший процент быстрых волокон в мышце, тем с большей скоростью может выполняться каждое отдельное движение, тем большее количество двигательных циклов может совершаться в единицу времени. У выдающихся спринтеров процент быстрых мышечных волокон значительно выше, чем у неспортсменов. И, в-третьих, внутри — и межмышечными координационными способностями центральной нервной системы.

Физиологические основы аэробной выносливости. Под выносли­востью понимают способность человека длительное время поддер­живать определенный вид деятельности. Выносливость специфична, то есть проявляется у каждого человека лишь при выполнении определенного вида деятельности. В спортивной физиологии под выносливостью понимают способность человека длительное время выполнять глобальную динамическую работу аэробного характера. Большой аэробной выносливости требуют, например, такие спор­тивные упражнения, как бег на дистанции 1500 м и больше, ака­демическая гребля, лыжные гонки, шоссейные велогонки, бег на коньках на дистанциях 3000 м и более, плавание на длинные дис­танции, спортивная ходьба, ориентирование.

Во всех видах спорта, требующих выносливости, спортсмены должны обладать большими аэробными возможностями: максималь­ной скоростью потребления кислорода и способностью длительное время поддерживать высокую скорость потребления кислорода.

Аэробные возможности человека определяются, прежде всего, максимально возможной для него скоростью потребления кислорода. Чем она больше, тем большую мощность работы может выполнять спортсмен в аэробных условиях. Чем длительнее по времени эта работа может продолжаться, тем, следовательно, выше его спортив­ный результат. Максимальное потребление кислорода у лиц, трени­рующих выносливость, значительно выше, чем у не спортсменов того же возраста и пола. Так, например, если у нетренированных мужчин 20-29 лет максимальное потребление кислорода составляет 2,5-3,5 л/мин (или 40-50 мл/мин/кг), то у бегунов-стайеров и лыжников высокой квалификации она достигает 5-6 л/мин (или 75-80 мл/мин/кг). У нетренированных женщин максимальное потребле­ние кислорода равно 1,5-2,5 л/мин (или 30-40 мл/мин/кг), а у спортсменок лыжниц составляет около 4 л/мин (или более 70 мл/ мин/кг).

Выделяют абсолютные показатели максимального потребления кислорода (л/мин) и относительные, то есть максимальное потреб­ление кислорода, отнесенное к единице массы тела (мл/мин/кг). Абсолютные показатели максимального потребления кислорода находятся в прямой зависимости от размеров тела. Они наибольшие у гребцов, пловцов, конькобежцев, велосипедистов. В этих видах спорта абсолютные величины максимального потребления кислорода имеют наибольшее значение для оценки состояния тренирован­ности.

Относительные показатели максимального потребления кислорода у высококвалифицированных спортсменов находятся в обратной за­висимости от массы тела. Наибольшие величины относительных показателей характерны для лыжников и бегунов на длинные дис­танции, наименьшие — для гребцов. У спортсменов, специализиру­ющихся в беге на длинные дистанции, в спортивной ходьбе, ори­ентировании, лыжных гонках, максимальные аэробные возможности и состояние тренированности оценивают по относительным величи­нам максимального потребления кислорода.

Уровень максимального потребления кислорода зависит от макси­мальных возможностей:

1) системы доставки кислорода к работа­ющим мышцам и другим усиленно функционирующим органам;

2) системы потребления кислорода, включающей, в основном, работа­ющие мышечные клетки.

Система доставки кислорода. Предельные возможности организ­ма доставлять кислород к усиленно функционирующим органам и тканям определяются системами внешнего дыхания и крови, а также сердечно- сосудистой системой.

Внешнее дыхание. У спортсменов, тренирующих выносливость, максимальные величины легочной вентиляции при работе значи­тельно больше, чем у нетренированных лиц. У бегунов-стайеров во время бега на длинные дистанции легочная вентиляция длительное время поддерживается на уровне 120- 140 л/мин. У нетренированных людей ее максимальные величины обычно не превышают 70- 100 л/ мин. Поскольку частота дыхания по мере тренировки не возрастает, прирост легочной вентиляции достигается лишь увеличением дыха­тельного объема. Значительное возрастание максимально возможных величин дыхательного объема у спортсменов происходит вследствие повышения на 15-25% легочных объемов и емкостей и, следова­тельно, жизненной емкости легких, которая у гребцов, например, достигает 8-9 л.

Другим результатом тренировки системы внешнего дыхания явля­ется повышение эффективности легочной вентиляции. Об этом сви­детельствует увеличение вентиляционного эквивалента кислорода, то есть объема дыхания, затрачиваемого на один литр использованного кислорода.

В процессе тренировки значительно возрастает диффузионная способность легких как в покое, так и при физических нагрузках. У бегунов-марафонцев, например, она даже в покое почти не от­личается по величине от диффузионной способности легких при максимальной работе у нетренированных лиц.

В результате тренировки повышается вентиляционный анаэробный порог, то есть мощность работы, начиная с которой легочная вентиляция растет быстрее, чем интенсивность нагрузки. Так, у нетре­нированных людей вентиляционный анаэробный порог соответствует мощности нагрузки в пределах 50-60%, а у хорошо тренированных спортсменов — 80-85% от максимального потребления кислорода.

Итак, главный эффект тренировки выносливости в отношении функций внешнего дыхания состоит в увеличении предельных вели­чин рабочей и произвольной легочной вентиляции вследствие воз­растания легочных объемов и емкостей, в повышении эффективнос­ти легочной вентиляции и в увеличении диффузионной способности легких.

Система крови. Транспорт кислорода и аэробная выносливость человека зависят от объема крови и содержания в ней эритроцитов и гемоглобина. При тренировке выносливости объем крови у спорт­смена значительно возрастает. С учетом массы тела у бегунов-стайеров, лыжников, велосипедистов-шоссейников он на 15-20% больше, чем у нетренированных людей. У представителей скоростно-силовых видов спорта (спринтеры, метатели, прыгуны, борцы и др.) объем крови почти не отличается от его величин у неспорт­сменов. Таким образом, увеличение объема крови является резуль­татом тренировки выносливости.

Увеличение объема крови происходит, в основном, за счет по­вышения объема плазмы. При этом величина гематокрита, от ко­торой в значительной мере зависит вязкость крови, у спортсменов несколько ниже, чем у нетренированных лиц. Увеличение объема плазмы у лиц, тренирующих выносливость, связано с повышением общего содержания белков в крови вследствие усиления их синтеза в печени.

Содержание эритроцитов и гемоглобина в крови определяют ее кислородную емкость, а значит и способность доставлять кислород к работающим мышцам. В связи с этим довольно неожиданно выглядит отсутствие существенной разницы в содержании эритроцитов и гемог­лобина у тренированных лиц с высокой аэробной выносливостью (эритроциты — 4,77 млн/мм³; гемоглобин — 14,6 — 16,0 г %) и нетренированных (эритроциты — 4,97 млн/мм³; гемоглобин — 15,1 г %). В то же время, из-за большего (на 15-20%) объема крови у спортсменов значительно выше общее количество эритроцитов и со­держание гемоглобина в крови. Так, у тренированных на выносли­вость мужчин общее содержание в крови гемоглобина равно 1000-1100 г, или 13-16 г/кг массы (у женщин 700-850 г или 12 г/кг), а у нетренированных — соответственно 700-900 г или 10-12 г/кг (у жен­щин 400-500 г или 7-9 г/кг). Одной из причин, стимулирующих усиленный эритропоэз и образование гемоглобина, является рабочий гемолиз, то есть разрушение эритроцитов во время интенсивных тре­нировочных и соревновательных нагрузок.

Как у спортсменов, так и у нетренированных лиц при нагрузках любой аэробной мощности содержание кислорода в артериальной крови по сравнению с состоянием покоя не снижается. Небольшое уменьшение насыщения гемоглобина кислородом компенсируется повышением концентрации гемоглобина в крови в результате про­исходящего при работе перехода жидкости за пределы сосудистого русла и увеличения гематокрита, то есть в результате рабочей гемоконцентрации.

Благодаря увеличению на 15-20% содержания 2,3 дифосфоглицерата в эритроцитах спортсменов, тренирующих выносливость, в капиллярах тканей значительно облегчается отдача гемоглобином кислорода. Этот механизм повышает эффективность работы системы транспорта кислорода кровью.

Таким образом, в отношении системы крови основные эффекты тренировки человеком аэробной выносливости состоят в существен­ном увеличении объема внутрисосудистой крови и общего содержа­ния гемоглобина. Благодаря этому, возрастают суммарная кислород­ная емкость и общая масса циркулирующей крови, обеспечивается возможность большего увеличения минутного объема кровообраще­ния и перераспределения его в пользу работающих мышц. Улучша­ются возможности организма увеличивать кровоток в коже с целью усиления теплоотдачи во время длительной работы, усиливается скорость вымывания метаболитов (например, молочной кислоты) из интерстициального пространства.

Сердечно-сосудистая система. В процессе многолетней трени­ровки аэробной выносливости в сердечно-сосудистой системе про­исходят адаптивные изменения, существенно повышающие способ­ность сердца подавать большее количество крови в сосуды, тем самым увеличивая объемную скорость кровотока через легкие и ра­ботающие мышцы. Поскольку кислород-транспортные возможности лимитируются в большей степени состоянием сердечно-сосудистой системы, а не внешнего дыхания, велика роль различных звеньев этой системы в развитии аэробной выносливости.

В соответствии с уравнением Фика потребление кислорода (V О₂) находится в прямой зависимости от минутного объема кровообра­щения (МОК) и артерио-венозной разницы по кислороду (АВР О₂), то есть V О₂ = МОК х АВРО₂. Исходя из этой закономерности, увеличение потребления кислорода, организмом и, следовательно, аэробной работоспособности человека, определяется производитель­ностью сердца.

В условиях покоя скорость потребления кислорода и минутный объем кровообращения мало отличаются у тренированных и нетренированных людей. Од­нако, механизмы поддержания минутного объема кровообращения у них различны. В результате усиления парасимпатических и ослабле­ния симпатических влияний на сердце, уменьшения выделения катехоламинов надпочечниками и снижения чувствительности сердца к этим веществам у лиц, тренирующих выносливость, значительно уменьшается частота сердечных сокращений, становясь у элитных спортсменов меньше 40 и даже 30 уд/мин.

Урежение частоты сердечных сокращений в покое у спортсменов компенсируется более высокими показателями систолического объе­ма. Так, если у нетренированного в положении лежа частота сер­дечных сокращений составляет 70-75 уд/мин, а систолический объем — 80-90 мл, то у тренированных соответственно — 40-45 уд/ мин и 100-120 мл. Возрастание систолического объема в результате длительной тренировки является следствием увеличения объема по­лостей сердца и сократительной способности миокарда желудочков.

Максимальные величины деятельности сердца при выполнении аэробных физических упражнений у спортсменов также значительно больше, чем у нетренированных. В связи с тем, что максимальная частота сердечных сокращений при тренировке вы­носливости не возрастает, но даже несколько снижается (на 3-5 уд/ мин), существенно большие величины минутного объема кровообра­щения у спортсменов обусловлены исключительно повышением сис­толического объема. Чем больше возрастает систолический объем, тем больше повышается минутный объем кровообращения, а значит и максимальное потребление кислорода. Следовательно, увеличение систолического объема — это основной результат тренировки вы­носливости для сердечно-сосудистой системы. Максимально воз­можный систолический объем у нетренированных мужчин обычно не превышает 110-130 мл, тогда как у хорошо тренированных он может достигать 180-210 мл.

Высокий уровень аэробной работоспособности спортсменов зави­сит не только от больших величин минутного объема кровообраще­ния, но и от способности наиболее эффективного его использова­ния. Эта способность определяется величиной артерио-венозной разницы по кислороду и совершенством механизмов перераспред­еления крови между активными и неактивными органами и тканя­ми. Чем больше артерио-венозная разница по кислороду, тем более эффективно используется минутный объем кровообращения. По мере тренировки выносливости при любых нагрузках артерио-венозная разница по кислороду увеличивается. Поскольку содержание 0^ в артериальной крови у спортсменов и не спортсменов практически не отличается ни в покое, ни при аэробных нагрузках любой мощ­ности, увеличение артерио-венозной разницы по кислороду вызы­вается снижением содержания О₂ в смешанной венозной крови, то есть большей его утилизацией. При максимальной аэробной работе у нетренированных лиц содержание О₂, снижается в среднем до 55 млО₂/л крови, а у тренированных — до 25 мл/О₂/л крови. Следо­вательно, лица, тренирующие выносливость, более эффективно ис­пользуют один и тот же объем притекающей к их мышцам крови, извлекая из него больше кислорода.

Система потребления кислорода и выносливость. Изменениям в кислород-транспортной системе, происходящим в результате трени­ровки выносливости, сопутствуют морфофункциональные изменения самих мышечных клеток, направленные на увеличение скорости утилизации приносимого кислорода. Чем больше в мышце медлен­ных волокон с окислительным характером анаболизма, тем больше ее способность использовать кислород в окислительных реакциях ресинтеза АТФ. Следовательно, аэробная выносливость спортсмена зависит от композиции принимающих участие в работе мышц, то есть от процентного соотношения содержащихся в них медлен­ных (окислительных) и быстрых (окислительно-гликолитических и гликолитических) волокон. Характерной чертой композиции мышц у выдающихся представителей видов спорта, тренирующих выносли­вость, является высокий (не менее 70) процент медленных волокон, приспособленных к длительной динамической работе средней ин­тенсивности с аэробными процессами энергопродукции.

Композиция мышц, а значит и высокий процент медленных воло­кон у спортсменов-стайеров, предопределены генетически ("Великими стайерами не становятся, а рождаются"). Это значит, что человек уже с момента рождения, имея больше медленных волокон, чем быстрых, обладает предпосылками к достижению выдающихся результатов в видах спорта, требующих выносливости. Изменить тренировкой соот­ношение медленных и быстрых волокон практически невозможно. В то же время при неменяющемся соотношении числа медленных и быстрых волокон тренировка выносливости приводит к превращению быстрых гликолитических волокон в быстрые окислительно-гликолитические. Благодаря этому увеличивается общее число волокон, спо­собных длительно работать в аэробных условиях.

В процессе тренировки выносливости происходит рабочая гипер­трофия саркоплазматического типа. Помимо увеличения содержания в клетке энергетических субстратов, у высокотренированных спорт­сменов значительно возрастает число и плотность центральных (на 50%) и поверхностных (на 300%) митохондрий. Следствием этого является существенное увеличение утилизации мышцей приносимого кровью кислорода.

Усиление процессов утилизации кислорода в мышечных клетках происходит одновременно с ростом числа капилляров, окружающих мышечные волокна, особенно медленного типа. Так, у тренирован­ных на выносливость лиц каждое медленное волокно окружено 6-7 капиллярами, а быстрое — 3-4. У неспортсменов эти цифры составляют соответственно 3,5-4,5 и 2,5-3,2. Увеличение плотности капилляров, обусловленное образованием новых капилляров, проис­ходит лишь в мышцах, тренирующих выносливость. Благодаря по­вышенной плотности капилляров в мышце (400-500 на 1 мм² вместо 300-350 на 1 мм² у нетренированных) улучшается обмен жидкостью между интерстициальным пространством и кровью, сокращается путь транспорта кислорода и других веществ от капилляра до клетки и обратно, увеличивается поверхность диффузии. Все это способствует повышению аэробной мышечной работоспособности.

Повышение выносливости в результате тренировки связано также со значительными адаптивными изменениями метаболических про­цессов в мышце: увеличивается содержание и активность ферментов окислительного метаболизма (в 2-3 раза), возрастает содержание миоглобина (в 1,5-2 раза), повышается содержание энергетических субстратов — гликогена мышц и липидов (на 30-50%), усиливается способность мышц использовать гликоген и, особенно, жиры («жи­ровой сдвиг»).

Таким образом, длительная тренировка выносливости вызывает, во-первых, значительное усиление деятельности систем захвата кис­лорода из окружающего воздуха, доставки его к работающим мы­шечным волокнам и использования клетками для нужд метаболизма. Во-вторых, способствует повышению эффективности деятельности систем дыхания, крови и кровообращения во время выполнения физических упражнений.