Физиологические основы физической культуры и спорта

В процессе мышечного сокращения потенциальная химическая энергия переходит в потенциальную механическую энергию напряжения и кинетическую энергию движения. Различают внутреннюю и внешнюю работу. Внутренняя работа связана с трением в мышечном волокне при его сокращении, движением катионов и анионов как при возбуждении, так и в процессе восстановления исходного состояния; превращением энергии при эндотермических ресинтезах (восстановлении соединений). Внешняя работа проявляется при перемещении собственного тела, груза, отдельных частей организма (динамическая работа) в пространстве. Она характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) мышечной системы, т. е. отношением производимой работы к общим энергетическим затратам (для мышц человека КПД составляет 15-20%, у физически развитых и тренированных людей этот показатель, как правило, выше).

При статических усилиях (вид мышечной деятельности, связанный с непрерывным сокращением скелетных мышц) можно говорить не о работе, как таковой с точки зрения физики, а о работе, которую с физиологических позиций следует оценивать энергетическими затратами организма и его функциональных систем, расходуемых на поддержание напряжения мышц. В отличие от динамической работы имеет место незначительное  увеличение потребления кислорода и минутного объема крови. Однако при этом существенно возрастают частота сердечных сокращений, артериальное давление, общее периферическое сопротивление сосудов, что связано с так называемым «феноменом натуживания». В процессе двигательной деятельности динамические и статические мышечные напряжения взаимодействуют: динамическая работа может быть эффективной в том случае, если статическое напряжение определенных мышц обеспечивает необходимую рабочую позу.

Физиологические реакции организма (увеличение частоты сердечных сокращений, артериального давления, показателей внешнего и внутреннего дыхания, потребления кислорода, температуры тела и др.) при выполнении различных видов динамической работы зависят от частоты и силы мышечных сокращений, размера и количества работающих мышц, т.е. от объема и интенсивности нагрузки, степени тренированности организма, условий выполнения и факторов окружающей среды. Количественные и качественные показатели мышечной деятельности характеризуют двигательную активность, уровень которой всегда связан с особенностями труда , учебы, повседневного быта и качества отдыха, т.е. с определенным стилем жизни. Уровень двигательной активности может оцениваться по общей сумме затрат энергии, по реакциям отдельных физиологических и функциональных систем на нагрузку.

Источниками энергии для мышечного сокращения служат особые органические вещества, богатые потенциальной энергией и способные, расщепляясь, отдавать ее. Это – аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), креатинфосфорная кислота (КрФ), углеводы, жиры и белки. Особую роль среди них играет АТФ, именно при ее расщеплении мышцы непосредственно получают энергию, остальные виды энергетических веществ используются в процессе биохимических реакций для восстановления АТФ. Так как количество АТФ в мышцах сравнительно невелико, запас энергии, заключенный в ней, быстро исчерпывается. Тогда вступают в действие КрФ и гликоген (его называют животным сахаром или крахмалом), выделяемая при их расщеплении энергия восстанавливает молекулу, а с ней и энергию АТФ. Когда же запасы энергии АТФ, КрФ и гликогена заканчиваются, используются новые источники энергии: углеводы, жиры и белки, которые поступают к мышцам с током крови и окисляются, выделяя энергию на восстановление АТФ.

Таким образом, становится очевидно, что многообразные функции мышечной системы обеспечивают движения человека, вертикальное положение его тела, фиксацию внутренних органов в определенном положении, дыхательные движения, усиление кровообращения и лимфообращения (мышечный насос), теплорегуляцию организма. Движения играют существенную роль во взаимодействии человека с внешней средой.

У человека насчитывается более 600 различных мышц. Они составляют у  мужчин 35-40% веса тела (у спортсменов - 50% и более), у женщин - несколько  меньше. Механическая деятельность мышц осуществляется в результате способности мышечных волокон переходить в состояние возбуждения, т.е. в деятельное состояние под влиянием биотоков (импульсов), идущих к мышцам по нервным волокнам. Возбуждение мышечных волокон представляет собой сложную систему энергетических, химических, структурных и иных изменений в клетках, обеспечивающих специфическую работу мышечной ткани. Работа мышц реализуется за счет их напряжения или сокращения. Напряжение происходит без изменений длины мышцы (статическая работа), сокращение происходит с уменьшением длины ее (динамическая работа). Чаще всего мышцы работают в смешанном (ауксотоническом) режиме, одновременно напрягаясь и сокращаясь по длине.

При работе мышцы развивают силу, которую можно определенным образом  измерить. Вспомним, что сила зависит от количества мышечных волокон и их поперечного сечения, а также от эластичности и исходной длины отдельной мышцы. Систематическая физическая тренировка увеличивает силу мышц в том числе и за счет увеличения их эластичности.

Как уже говорилось, все мышцы  человека в целом содержат около 300 млн мышечных волокон. Если деятельность волокон всех мышц направить в одну сторону, то при одновременном сокращении они могли бы развить силу в 25-30 т. Костная и мышечная системы функционально естественным образом связаны и вместе выполняют опорно-двигательную функцию. При различных видах сокращения скелетной мускулатуры происходит перемещение тела и его звеньев в пространстве, при этом огромное значение имеет состояние связочно-суставных образований, о которых говорилось выше.

2.1.3. Кровь. Кровеносная и дыхательная системы

Кровь, лимфа, тканевая, спинномозговая, плевральная, суставная и другие жидкости образуют внутреннюю среду  организма.

Кровь - разновидность соединительной ткани организма, состоящая из жидкой части (плазмы – 55-60% объема крови) и взвешенных в ней кровяных клеток (форменных элементов 40-45%) – эритроцитов (красных кровяных телец), лейкоцитов (белых кровяных телец) и тромбоцитов (кровяных пластинок). В состав плазмы крови входят вода (90-92%) и сухой остаток (8-10 %), состоящий из органических (белки – альбумины, глобулины, и фибриноген и небелковые азотсодержащие и безазотистые органические вещества) и неорганических соединений, обеспечивающих нормальную функцию всех клеток организма, в том числе клеток возбудимых тканей, обуславливающих осмотическое давление, регулирующих кислотно-щелочное равновесие и многие другие функции. В плазме крови постоянно присутствуют все витамины,, микроэлементы, промежуточные продукты метаболизма.

Эритроциты (в норме у мужчин 4-5 млн в 1 мкл, у женщин 4,5 млн) выполняют в организме многочисленные функции, основная из них- дыхательная за счет особого белка хромопротеида - гемоглобина. Кроме того, с их помощью осуществляется регуляция кислотно-щелочного равновесия, питательная, защитная функции, участие в процессе свертывания крови, перенос ферментов и витаминов.

Лейкоциты (в норме у здоровых людей их содержание колеблется от 4 до -9 тыс. в 1 мкл). Увеличенное содержание лейкоцитов называют лейкоцитозом, уменьшенное  – лейкопенией. Различают физиологический (нормальный) и реактивный (патологический) лейкоцитоз. Первый наблюдается после приема пищи, во время беременности, при выполнении мышечной работы, при болевых ощущениях и эмоциональных проявлениях. Второй вид лейкоцитоза связан с воспалительными процессами и инфекционными заболеваниями. Лейкопения характеризует течение некоторых заболеваний. Существует несколько видов лейкоцитов, процентное соотношение которых называется лейкоцитарной формулой. Все виды лейкоцитов обладают амебоидной подвижностью и выполняют защитную функцию (фагоцитоз - поглощение и переваривание с помощью специальных ферментов инородных тел, болезнетворных  микробов, распадающихся клеток организма). Однако осуществление ее в зависимости от вида лейкоцитов происходит по разному. Лимфоциты являются центральным звеном иммунной системы (иммунитет – свойство организма противостоять действию инфекционных агентов и вырабатываемых ими токсинов), участвуют в процессах клеточного роста, дифференцировки, регенерации тканей и управлении генетическим аппаратом других клеток. 

Тромбоциты (в крови человека 180-320 тыс. в 1 мкл.). Функции тромбоцитов  многообразны и специфичны. Главной  функцией тромбоцитов является участие  в гемостазе – сложной системе  приспособительных механизмов, обеспечивающих текучесть крови в сосудах и свертывании ее при нарушении их целостности. Благодаря способности фагоцитировать инородные тела, вирусы и иммунные комплексы тромбоциты участвуют в иммуннобиологических реакциях организма, оказывают влияние на величину просвета и проницаемость мелких кровеносных сосудов.

Не вдаваясь в подробности строения сердечно-сосудистой системы, напомним, что кровеносная система состоит  из сердца и сосудов, крови. Ритмические сокращения сердечной мышцы обеспечивает непрерывное движение крови в замкнутой сердечно-сосудистой системе, состоящей из сердца и двух кругов кровообращения – большого и малого. Большой круг кровообращения начинается от левого желудочка сердца,  из которого артериальная кровь поступает в аорту. Проходя по артериям, артериолам и капиллярам всех органов, кроме легких, она отдает им кислород и питательные вещества, а забирает углекислоту и продукты метаболизма. Затем кровь собирается в венулы и вены и через верхнюю и нижнюю полые вены поступает в правое предсердие. Малый круг кровообращения берет начало в правом желудочке, откуда венозная кровь направляется в легочную артерию. Пройдя через легочные капилляры, кровь освобождается от углекислоты, насыщается кислородом и уже в качестве артериальной поступает через легочные вены в левое предсердие сердца. Таким образом, кровь, выполняя трофическую функцию, переносит питательные вещества из тонкого кишечника к клеткам всего организма; она же обеспечивает транспортировку кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким, осуществляя дыхательную функцию. Не надо забывать, что при этом в крови циркулирует большое количество биологически активных веществ, которые регулируют и объединяют функциональную деятельность клеток всего организма. При этом обеспечивается также и выравнивание температуры различных частей тела.

Коротко о дыхательной  системе. Дыхательная система включает в себя носовую полость, гортань, трахею, бронхи и легкие. В процессе дыхания из атмосферного воздуха через альвеолы легких в организм постоянно поступает кислород, а из организма выделяется углекислый газ. Дыхание - это целый комплекс физиологических процессов, в реализации которых участвует не только дыхательный аппарат, но и система кровообращения.

Трахея в нижней своей части делится на два бронха, каждый из которых, входя в легкие, древовидно разветвляется. Конечные мельчайшие разветвления бронхов (бронхиолы) переходят в закрытые альвеолярные ходы, в стенках которых находится большое количество шаровидных образований - легочных пузырьков (альвеол). Каждая альвеола окружена густой сетью кровеносных капилляров. Общая поверхность всех легочных пузырьков очень велика, она в 50 раз превышает поверхность кожи человека и составляет более 100 м2.

Легкие располагаются в герметически закрытой полости грудной клетки. Они покрыты тонкой гладкой оболочкой - плеврой, такая же оболочка выстилает изнутри полость грудной клетки.

Пространство, образованное между  этими двумя листами плевры, называется плевральной полостью. Давление в плевральной полости всегда ниже атмосферного при выдохе на 3-4 мм рт. ст., при вдохе - на 7-9 мм.

Механизм дыхания осуществляется рефлекторно (автоматически). В покое обмен воздуха в легких происходит в результате дыхательных ритмических движений грудной клетки. При понижении в грудной полости давления в легкие (в достаточной степени пассивно за счет разности давлений) засасывается порция воздуха - происходит вдох. Затем полость грудной клетки уменьшается и воздух из легких выталкивается - происходит выдох. Расширение полости грудной клетки осуществляется в результате деятельности дыхательной мускулатуры. В покое при вдохе полость грудной клетки расширяет специальная дыхательная мышца, речь о которой шла ранее, - диафрагма, а также наружные межреберные мышцы; при интенсивной физической работе включаются и другие (скелетные) мышцы. Выдох в покое производится выражение пассивно, при расслаблении мышц, осуществлявших вдох, грудная клетка под воздействием силы тяжести и атмосферного давления уменьшается. При интенсивной физической работе в выдохе участвуют мышцы брюшного пресса, внутренние межреберные и другие скелетные мышцы. Систематические занятия физическими упражнениями и спортом укрепляют дыхательную мускулатуру и способствуют увеличению объема и подвижности (экскурсии) грудной клетки.

Этап дыхания, при котором кислород из атмосферного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови - в атмосферный воздух, называют внешним дыханием; перенос газов кровью -следующий этап, и, наконец, тканевое (или внутреннее) дыхание - потребление клетками кислорода и выделение ими углекислоты как результат биохимических реакций, связанных с образованием энергии для обеспечения процессов жизнедеятельности организма.

Внешнее (легочное) дыхание осуществляется в альвеолах легких. Здесь через полупроницаемые стенки альвеол и капилляров происходит переход кислорода из альвеолярного воздуха, заполняющего полости альвеол. Молекулы кислорода и углекислого газа осуществляют этот переход за сотые доли секунды.

Тканевое (внутриклеточное) дыхание осуществляется после переноса кислорода кровью к тканям, когда кислород переходит из крови в межтканевую жидкость и оттуда в клетки тканей, где используется для обеспечения процессов обмена веществ. Углекислый газ, интенсивно образующийся в клетках, переходит в межтканевую жидкость и затем в кровь. С помощью крови он транспортируется к легким, из которых выводится из организма. Переход кислорода и углекислого газа через полупроницаемые стенки альвеол, капилляров и оболочек эритроцитов и клеток тканей происходит путем диффузии (перехода) и обусловлен разностью парциального давления каждого из этих газов. Так, например, при атмосферном давлении воздуха 760 мм рт. ст. парциальное давление кислорода (рО₂) в нем равно 159 мм рт. ст., в альвеолярном - 102, в артериальной крови - 100, в венозной - 40 мм рт. ст. В работающей мышечной ткани рО₂ может снижаться до нуля. Указанная разница в парциальном давлении кислорода обеспечивает его поэтапный переход в легкие, а далее через стенки капилляров - в кровь, а из крови - в клетки тканей.

Углекислый же газ из клеток тканей поступает в кровь, из крови - в  легкие, из легких - в атмосферный  воздух, так как градиент парциального давления углекислого газа (рСО₂) направлен в обратную относительно рСО₂ сторону (в клетках рСО₂ - 50-60, в крови - 47, в альвеолярном воздухе - 40, в атмосферном воздухе -0,2 мм рт. ст.).

Изменения в системах крови, кровообращения и  дыхания  под  влиянием систематических физических упражнений весьма значительны. В упражнениях, требующих длительной работы (бег на длинные дистанции, плавание, лыжные и велосипедные гонки и др.) масса сердца увеличивается в 2 и больше раз (рабочая гипертрофия), увеличивается систолический объём крови (выбрасываемого одним сокращением левого желудочка), увеличивается количество эритроцитов, повышается буферная ёмкость крови (способность связывать продукты окисления), увеличивается жизненная ёмкость лёгких, степень усвоения кислорода (МПК). В результате этих изменений в покое у тренированного человека реже частота дыхания и сердцебиений. Тренированный человек выполняет стандартную работу более экономно. Однако эти изменения не остаются навсегда и с прекращением регулярных тренировок они возвращаются к исходному уровню.

2.1.4. Обмен веществ и энергии

Основной признак живого организма — обмен веществ и энергии. В организме непрерывно происходят процессы роста, образования сложных веществ, из которых состоят клетки и ткани, и процесс разрушения. Любая деятельность человека связана с расходованием энергии. Даже во время сна многие органы (сердце, легкие, дыхательные мышцы) расходуют значительное количество энергии. Нормальное протекание этих процессов требует расщепления сложных органических веществ — белков, жиров и углеводов, — так как они являются единственными источниками энергии для животных и человека. Большое значение для нормального обмена веществ имеют также вода, витамины и минеральные соли. Процессы образования в клетках организма необходимых ему веществ, извлечение и накопление энергии (ассимиляция) и процессы окисления и распада органических соединений, превращение энергии и ее расход (диссимиляция) на нужды жизнедеятельности организма между собой тесно переплетены. Они обеспечивают необходимую интенсивность обменных процессов в целом и баланс поступления и расхода веществ и энергии.