§ 2. Аэробные возможности организма

Задержите дыхание и с помощью часов или секундомера проверьте, сколько вы сможете пробыть в таком состоянии, т.е. без поступления кислорода в организм. Одни – 1 минуту, другие – чуть меньше, третьи – чуть больше. Вы убедитесь в огромной роли кислорода, которую он играет в жизнедеятельности организма. Чем больше кислорода будет доставлено к клеткам, тем более значительную работу человек сможет выполнить. Таким образом, аэробная производительность (аэробные возможности организма) – это способность совершать работу, используя для восстановления АТФ кислород, поглощаемый непосредственно во время работы.

Потребление кислорода при физической работе возрастает по мере увеличения ее тяжести и продолжительности. Однако для каждого человека существует предел, выше которого поглощение кислорода увеличиваться не может. Наибольшее количество кислорода, которое организм может потребить за 1 мин при предельно тяжелой для него работе, называется максимальным потреблением кислорода (МПК). Человек может достичь уровня своего МПК при работе, длящейся не менее 3 мин.

МПК является главнейшим показателем аэробных возможностей. Он отражает эффективность работы важнейших органов и систем организма: сердца, дыхательной системы и др. У не занимающихся спортом величина МПК не превышает 2–3,5 л\мин. У высококвалифицированных спортсменов она может достигать 6–6,5 л\мин. Поскольку абсолютная величина МПК зависит от размеров тела, ее делят на вес человека. При пересчете на 1 кг веса у не занимающихся спортом МПК составляет 35–40 мл, у спортсменов высокого класса – 50–90 мл.

Процесс поступления в организм кислорода и выделения образующейся в организме двуокиси углерода (СО₂) определяется понятием «дыхание». Проследим движение этих газов в организме.

Атмосферный воздух благодаря сокращению дыхательных мышц засасывается в легкие. Молекулы кислорода, достигнув мельчайших легочных пузырьков – альвеол, через мембрану проникают в кровь и соединяются с гемоглобином. Насыщенная кислородом кровь устремляется к сердцу. Последовательно пройдя левое предсердие, левый желудочек, аорту, артерии и артериолы, она попадает в капилляры. Здесь кислород отщепляется от гемоглобина и проникает в мышечные и другие ткани. В результате сложных биохимических процессов окисления питательных веществ выделяется необходимая для мышечного сокращения энергия, и образуется углекислый газ и вода. Проникнув в кровь, углекислый газ соединяется с гемоглобином и с кровью движется к сердцу. Пройдя последовательно правое предсердие и правый желудочек, кровь попадает в капилляры легких, где происходит обмен газов: углекислый газ отщепляется и выводится при выдохе в атмосферу, а кровь насыщается кислородом.

Таким образом, дыхание может быть разделено на следующие взаимосвязанные процессы:

обмен газов между атмосферой и альвеолами легких (вентиляция легких)и обмен газов между воздухом альвеол и кровью (легочная диффузия газов), называемыевнешним дыханием;
связывание итранспорт газов кровью;
обмен газов между кровью и тканями (тканевая диффузия газов);
тканевое дыхание.

Активное участие в названных процессах принимает сердце и кровеносные сосуды.

Внешнее дыхание (вентиляция легких). Вентиляция легких осуществляется ритмическими чередованиями вдохов и выдохов. Эту работу выполняют поперечнополосатые мышцы грудной клетки и некоторые мышцы шеи и туловища. Главная мышца вдоха – диафрагма. Сокращаясь, она увеличивает вертикальный размер грудной клетки. Наружные межреберные мышцы при сокращении поднимают ребра вперед и вверх, при этом увеличивается передне-задний и боковой размеры грудной клетки. При вдохе участвуют также другие мышцы.

Выдох при спокойном дыхании осуществляется пассивно, так как грудная клетка и легкие после вдоха стремятся занять положение, из которого они были выведены сокращением дыхательных мышц. В глубоком выдохе принимают участие мышцы живота и др.

Благодаря сокращению мышц вдоха атмосферный воздух поступает в легкие. Количественной характеристикой легочной вентиляции служит минутный объем дыхания (МОД) – объем воздуха, проходящий через легкие за 1 мин. В покое и при работе МОД строго соответствует потреблению кислорода и выделению СО₂ и в зависимости от них изменяется. Так, МОД в покое составляет 5,8–6 л\мин. Предельная величина МОД ограничивается той максимальной работой, на которую способны дыхательные мышцы.

Во время бега потребности организма в кислороде возрастают вплоть до предельно возможного. Мышцы внешнего дыхания вынуждены сокращаться мощно и долго. В результате занятий оздоровительным бегом сила и продолжительность работы мышц, осуществляющих вентиляцию легких, увеличивается, МОД достигает 50–70 л\мин, а при спортивном беге – 150–200 л\мин.

Внешнее дыхание (легочная диффузия легких). Попав в легкие, кислород из воздуха переходит в кровь, а из крови в воздух легких перемещается углекислый газ. Переход кислорода в кровь и углекислого газа из крови в воздух легких происходит через легочную мембрану (стенку, отделяющую альвеолы от капилляров) путем диффузии (от лат. diffusio – распространение, растекание, т.е. движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций частиц данного сорта в среде). Легочная диффузия обусловлена разным парциальным давлением (от позднелат. partialis – частичный, т.е. давление компонента идеальной газовой смеси, которое он оказывал бы, если бы один занимал объем всей смеси).

Атмосферный воздух – это смесь различных газов: кислорода, азота, углекислого газа и др. Парциальное давление каждого из газов зависит от процентного содержания газа в воздухе и давления всей газовой смеси. При любом атмосферном давлении воздух содержит 21 % кислорода. На уровне моря атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., парциальное давление кислорода – 159,6 мм рт. ст. (760 мм : 100 % х 21 % = 159,6 мм). Чем выше высота над уровнем моря, тем разряженнее становится воздух, в результате атмосферное давление, а также парциальное давление кислорода снижаются. Эта закономерность нашла широкое применение в практике спорта для развития выносливости: равная по величине работа аэробного характера требует практически одинакового количества кислорода; снижение в воздухе парциального давления кислорода вызывает при равной физической нагрузке усиление деятельности органов и систем, снабжающих организм кислородом, что повышает эффект тренировок.

В связи с разностью парциальных давлений кислорода в воздухе альвеол (на уровне моря оно составляет около 102 мм рт. ст.) и в легких (40 мм рт. ст.) он переходит из альвеолярного воздуха в кровь, т.е. из области большего давления в область меньшего давления.

Парциальное давление углекислого газа в венозной крови (т.е. крови, отдавшей кислород тканям) выше, чем в воздухе легких, поэтому углекислый газ переходит из крови в легкие. В результате этих процессов от легких оттекает артериальная кровь, обогащенная кислородом и освободившаяся от излишка углекислоты.

Общая поверхность легочной мембраны в среднем составляет 80 м².Через нее за 1 мин проникает то количество газов, которое соответствует нормальному газообмену (250 мл О₂ и 200 мл СО₂). Интересно, что максимальная способность мембраны пропускать кислород наблюдается при такой работе, при которой частота сердечных сокращений (ЧСС) составляет 120 уд\мин [19]. При дальнейшем увеличении мощности работы диффузионная способность легких уже почти не возрастает.

Из-за хорошей растворимости СО₂в крови и тканях углекислый газпереносится примерно в 20 раз легче, чем кислород, поэтому в естественных условиях ограничения для диффузии углекислого газа в легких обычно не наблюдаются. Изменения же диффузии кислорода могут влиять на газовый состав артериальной крови.

Таким образом, бег при ЧСС 120 уд\мин или близкой к ней повышает функциональные возможности легочной мембраны.

Связывание и транспорт газов кровью. Кислород из воздуха легких проникает в кровь, которая течет по капиллярам, вплотную соприкасающимся со стенками альвеол, и быстро связывается с гемоглобином. Диффузия (переход) кислорода продолжается до момента предельного насыщения им гемоглобина. Когда парциальное давление кислорода в воздухе легких и плазме крови сравнивается, диффузия прекращается.

Практически весь кислород кровь переносит в связанном состоянии с гемоглобином (оксигемоглобин). В норме кровь человека содержит около 15 г гемоглобина (Нв) на 100 мл, 1 г Нв связывает 1,34 мл О₂ (т.е. каждые 100 мл крови способны связать 20,1 мл кислорода). То количество кислорода, которое содержится в 100 мл крови, когда весь гемоглобин находится в окисленной форме, называется кислородной емкостью крови. Увеличение или уменьшение концентрации гемоглобина в крови изменяет ее кислородную емкость.

Занятия оздоровительным бегом вызывают изменения в составе крови, повышая в ней содержание гемоглобина. При пребывании в высокогорных районах содержание гемоглобина при равной физической работе повышается.

Обмен газов между кровью и тканями. Кислород и углекислый газ перемещаются между кровью и тканями тела также путем диффузии, т.е. из области высокого в область низкого давления. Парциальное давление кислорода в тканях значительно меньше, чем в артериальной крови. В связи с этим кислород отщепляется от оксигемоглобина и переходит из крови в ткани. Углекислого газа, наоборот, больше в тканях, так как он является продуктом обмена веществ. Поэтому углекислый газ переходит в кровь.

Скорость обмена газов во многом определяется толщиной мембран, через которые он проходит. В легких расстояние диффузии невелико, но в тканях оно измеряется десятками микрометров и определяется расстоянием между соседними капиллярами. Поэтому для тканевого обмена газов расстояние диффузии имеет решающее значение. При физической нагрузке, под влиянием образующегося в мышце избытка углекислого газа и кислых продуктов обмена, а также повышения температуры, раскрываются дополнительные капилляры, что уменьшает расстояние диффузии, и увеличивает поверхность, через которую она осуществляется. При этом скорость кровотока в тканях снижается, что также облегчает обмен газами.

Перешедший в ткани кислород потребляется клетками в процессе тканевого дыхания, поэтому постоянно существует разность парциального давления О₂ между кровью и тканями, обеспечивающая диффузию в этом направлении. Активные ткани, например, работающие скелетные мышцы, извлекают из крови почти весь кислород. Такие ткани, как кость и кожа, поглощают из крови относительно небольшое количество О₂.

В скелетных мышцах и в сердце содержится миоглобин (Мв) – вещество, близкое по строению к гемоглобину. Во время сокращения этих мышц с одной стороны, усиливаются окислительные процессы, с другой – резко ухудшаются условия доставки кислорода, т.к. сокращающаяся мышца сдавливает капилляры, и доступ крови по ним прекращается. В этот период и используется кислород, запасенный в Мв за время расслабления мышцы.

Парциальное давление СО₂ в тканях составляет около 60, а в притекающей к ним артериальной крови 41 мм рт. ст. Благодаря разнице давлений углекислый газ проникает через стенки капилляров в плазму крови. СО₂ хорошо растворяется в крови, однако в растворенном виде переносится только 10 % всего количества углекислого газа, транспортируемого кровью. Большая часть СО₂, вступая в реакцию с водой, превращается в угольную кислоту:

СО₂ + Н₂О -> Н₂СО₃.

Кроме того, углекислый газ может вступать в химическое соединение с гемоглобином, освободившимся от кислорода при прохождении крови по капиллярам тканей. Это соединение называется карбогемоглобином. Примерно 30 % углекислого газа переносится кровью в форме карбогемоглобина.

Оздоровительный бег повышает не только кислородную емкость, но и общее количество крови у человека, в результате чего ее транспортные возможности увеличиваются.

Выведение углекислого газа из тканей не вызывает затруднений.

Во время занятий оздоровительным бегом обмен газов в тканях активируется. Раскрытие дополнительных капилляров в мышцах позволяет на большую глубину проникать поступившему из крови кислороду и питательным веществам, что положительно сказывается на функциональных возможностях мышц.

Тканевое дыхание. Кислород, поступивший в ткани, используется в клеточных окислительных процессах. Питательные вещества в клетках расщепляются под влияние ферментов без участия кислорода (анаэробно) до относительно простых молекул, при этом освобождается некоторая доля энергии. Однако основная часть энергии, заключенная в исходном веществе, освобождается на следующем, аэробном этапе расщепления, т.е. на этапе тканевого дыхания. В ходе окислительных реакций, образующих циклическую последовательность (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) происходит взаимопревращение органических кислот с отщеплением атомов углерода, выделяющихся в виде СО₂ и атомов водорода. Продуктом дальнейших окислительно-восстановительных реакций является вода. При полном окислении одной грамм-молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О освобождается 686 килокалорий. Энергия используется или запасается клетками, в основном, в форме химической энергии фосфатных связей, главным носителем которой служит АТФ.

Тканевое дыхание сохраняется нормальным до тех пор, пока парциальное давление кислорода остается выше 5–3 мм рт.ст. Такое парциальное давление кислорода называется критическим. Ниже критического уровня тканевое дыхание прекращается.

Сердце (от лат. cor, греч. cardia) – четырехкамерный полый орган, центральная часть кровеносной системы. Полость сердца разделена перегородкой на изолированные друг от друга правую и левую половины, каждая из которых состоит из предсердия и желудочка. Односторонний ток крови из предсердий в желудочки и оттуда в аорту и легочную артерию обеспечивается клапанами, находящимися у входного и выходного отверстий желудочков.

Работа сердца характеризуется непрерывной сменой сокращений и расслаблений его мышечных волокон. Сокращение сердца называется систолой, расслабление – диастолой.

Сердечный цикл состоит из трех фаз:

общей диастолы сердца(предсердия и желудочки расслаблены);
систолы предсердий(желудочки расслаблены и наполняются кровью);
систолы желудочков(кровь под большим давление выбрасывается правым желудочком в легочную артерию, а левым – в аорту).

Длительность сердечного цикла зависит от частоты сердцебиения. К примеру, при частоте, равной 75 уд\мин, она составляет 0,8 с. При физической работе длительность сердечного цикла и его отдельных фаз уменьшается, причем тем больше, чем тяжелее работа.

Частоту сердцебиения можно определять по артериальному пульсу, т.е. ритмическим колебаниям стенки артерии в результате прохождения пульсовой волны, возникающей в аорте во время систолы желудочков. Пульсовые колебания ощущают на артериях, расположенных в тех местах тела, где они могут быть прижаты к подлежащей кости (на лучевой, сонной, височной и др.). У человека частоту сердцебиения можно определить также по толчкам сердца, передающимся на стенку грудной клетки (в 5-м межреберье слева). У здорового человека частота сердечных сокращений в состоянии покоя составляет 60-70 уд\мин. ЧСС меньше 60 уд\мин называется брадикардией. При выполнении физической нагрузки сердцебиение учащается до 160–200 уд\мин и более.

Пульс является одним из основных показателей, с помощью которого в оздоровительном беге осуществляется контроль и самоконтроль за состоянием здоровья, регулируется нагрузка. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже (см. Контроль и самоконтроль в процессе занятий оздоровительным бегом).

Кровеносные сосуды большого и малого кругов кровообращения, образуют вместе с сердцем замкнутую циркуляторную систему. По одним сосудам течет кровь, обогащенная кислородом (аорта, крупные артерии, артериолы, метаартериолы и др.), по другим – кровь, отдавшая кислород тканям (вены, венулы и др.), в третьих сосудах – капиллярах, происходит обмен различных веществ и газов между кровью и межтканевой жидкостью).

Движение крови по циркуляторной системе происходит по законам гидродинамики, и зависит от разности давлений в начале и конце сосуда, его диаметра, вязкости крови, трения крови о стенки сосуда, а также между различными слоями жидкости.

При характеристике сердечно-сосудистой системы пользуются понятием «кровяное давление».

Кровяное давление. В результате сокращения сердечной мышцы и под воздействием других факторов кровь давит на стенки сосудов с определенной силой. Величина кровяного давления в разных отделах сосудистой системы не одинакова. Наибольшее давление наблюдается в аорте и крупных артериях. В мелких артериях и капиллярах оно постепенно снижается. В крупных венах давление крови меньше атмосферного.

Артериальное давление повышается в период сокращения (систолы) сердца: это так называемое систолическое или максимальное давление. В период расслабления (диастолы) давление снижается – это диастолическое или минимальное давление. На протяжении сердечного цикла колебание кровяного давления наблюдается лишь в аорте и артериях, в других сосудах оно постоянно.

На величину кровяного давления оказывают влияние следующие факторы:

сила сокращения сердечной мышцы;
эластичность сосудов (чем эластичнее сосуд, тем ниже давление);
просвет сосудов (суживаясь, сосуд увеличивает сопротивление кровотоку, что приводит к повышению как систолического, так и диастолического давлений);
количество циркулирующей крови (кровопотери приводят к снижению артериального давления, в то время как переливание большого количества крови повышает давление в артериях);
вязкость крови (увеличение вязкости приводит к повышению давления, уменьшение – к его снижению).

Для измерения артериального давления используется метод, основанный на выслушивании на плечевой артерии с помощью фонендоскопа звукового феномена (или сосудистых тонов). При этом способе используется также манжета и манометр. Вначале воздух нагнетается в манжету до полного сжатия артерии. В этот момент звуки прекращаются. Затем давление в манжете начинают снижать. Когда оно понизится настолько, что будет равно давлению в артерии при систоле, возникают звуки. Показание манометра при появлении звуков характеризует величину систолического давления. При дальнейшем снижении давления в манжете звуки исчезают. Момент исчезновения звуков характеризует величину диастолического давления.

В состоянии покоя у взрослого человека в возрасте 18-40 лет систолическое давление в плечевой артерии составляет 110–125 мм рт.ст., диастолическое – 70–80 мм рт.ст. Состояние, при котором артериальное давление низкое (систолическое меньше 100 мм рт.ст.), называют гипотонией. Стойкое же повышение систолического (выше 140 мм рт.ст.) и диастолического давления называют гипертонией. Во время физической работы повышается как систолическое (до 160–200 мм рт.ст. и более), так и диастолическое (до 100–110 мм рт.ст. и более) давление.

Оздоровительный бег – одно из наиболее эффективных средств, способствующих нормолизизации кровяного давления, положительно влияет на работу ЦНС, сердца, просвет сосудов, их эластичность и др.

Действуя как насос, сердце при сокращении нагнетает кровь до давления, к примеру, 120 мм рт.ст., которая устремляется по артериальным сосудам к капиллярам, давление в которых почти в 10 раз меньше. Однако для того, чтобы вытекающая из них венозная кровь возвратилась по венам в правое предсердие, давление в капиллярах нижних конечностей при вертикальном положении человека должно быть минимум 60–80 мм рт.ст. Помогают сердцу перемещать кровь по сосудам внесердечные, или экстракардиальные факторы. При вдохе грудная клетка увеличивается, диафрагма опускается, и воздух поступает в легкие, которые расправляются. Разрежение в грудной полости способствует притоку венозной крови из брюшной полости в грудную, что позволяет наполнить сердце венозной кровью. При этом повышается давление в брюшной полости, работает также и брюшной насос, который выдавливает кровь в грудную клетку. В результате работают два насоса: грудной и брюшной.

При беге мышцы нижних конечностей не только перемещают тело в пространстве, но и сдавливают крупные вены. В венах имеются клапаны, которые находятся между мышцами или между мышцей и костью, и пропускают кровь только к сердцу. Скелетные мышцы играют главнейшую роль в движении венозной крови. Сокращаясь и сдавливая вены, они способны создавать давление крови, превышающее артериальное, т.е. могут без участия сердца поднять венозную кровь из нижних конечностей к правому предсердию. Это явление получило название венозной помпы. Микронасосный механизм существует не только в скелетной мышце. Сердечная мышца также обладает микронасосной способностью: при сокращении она проталкивает кровь по сосудам миокарда. Таким образом, в процессе двигательной активности тренируется микронасосный механизм и скелетных мышц, и миокарда.

В результате занятий оздоровительным бегом увеличивается общий размер сердца и емкость желудочков и предсердий, повышается масса сердечной мышцы и сократительная сила ее волокон, что положительно сказывается на его функциональных возможностях.

Во время выполнения физических упражнений надо обращать внимание [1] на координацию работы скелетных мышц и сердца. Человек не может управлять сердцем и сосудами, а скелетными мышцами управлять может. Активно работающие скелетные мышцы не только сами способны справиться с перемещением крови по сосудам, но и тренировать сердце, заставляя его работать в соответствующем режиме, и одновременно не перегружать его. Когда человек делает 60–70 шагов в минуту, то сердце сокращается примерно 60–70 раз. При беге – 120–130 шагов в минуту, сердце сокращается примерно столько же раз. Это и есть [1] координация сердца и скелетных мышц.