Безруких М.М., Сонькин В.Д., Фарбер Д.А. Возрастная физиология (физиология развития ребенка)

Подождите немного. Документ загружается.

чивается. Организм весьма расчетливо экономит свои ресурсы и

не тратит их попусту на структуры и функции, на которые нет

«спроса». Подтверждением этого могут служить результаты обсле-

дований космонавтов, долгое время проведших на околоземной

орбите при отсутствии силы тяжести. Их мышцы теряют свои свой-

ства и даже отчасти деградируют, из костей вымывается кальций,

они становятся хрупкими и мягкими. Только с помощью специ-

ально организованных ежедневных физических тренировок на бе-

гущей дорожке этому удается противостоять, и то не в полной

мере. Точно так же невозможно раз и навсегда «проадаптировать-

ся» к воздействию любого другого фактора. Человек, живущий в

горах, адаптирован к низкому содержанию кислорода в атмосфе-

ре: у него выше уровень гемоглобина в крови, более активны окис-

лительные ферменты и т.д. Но стоит ему спуститься с гор и про-

жить там несколько месяцев — все эти адаптивные особенности

пропадают. Попав вновь в горы, человек вынужден адаптировать-

ся к ним заново. Хотя в этом случае адаптация проходит обычно

легче и быстрее, так как любая адаптация оставляет в организме

след, который облегчает последующую нервную и гормональную

перестройку.

Все это в полной мере относится к обучению, в котором роль

физиологической адаптации чрезвычайно велика. Хорошо извест-

но, что отсутствие практики приводит к утрате навыка использо-

вания иностранного языка. Однако восстановление этого навыка

в полном объеме для человека обученного — задача неизмеримо

более легкая, чем обучение «с нуля».

Резервы организма: мифы и физиологическая реальность. В попу-

лярной, а иногда и научной литературе периодически поднима-

ется вопрос о необычайных возможностях, заложенных в орга-

низме человека и нереализованных лишь потому, что мы не умеем

этого делать. В частности, по мнению некоторых авторов, мозг

человека используется только на 2—3 % (встречаются разные оцен-

ки), а остальную часть составляют резервы, лежащие «мертвым

грузом». Сказанное выше свидетельствует о том, что это не более

чем миф. Никаких резервов, которые не используются и все же

сохраняются, в организме человека нет. Другое дело, что с помо-

щью грамотно построенной тренировки можно значительно улуч-

шить многие характеристики деятельности в конкретных услови-

ях. Надо лишь понимать, что если мы получаем выигрыш в одном

направлении, то можем нечто потерять в другом направлении.

Например, люди с мощной мускулатурой, много сил отдавшие

тренировке своих мышц и демонстрирующие чудеса силовой под-

готовки, как правило, почти полностью теряют гибкость позво-

ночника и обладают низкой общей выносливостью, это — плата

за чрезмерное развитие силовых возможностей. Разумеется, быва-

ют всесторонне одаренные люди, которым удается довести до со-

191

вершенства не одну, а несколько сторон своих способностей. Но

это уникальные случаи, как уникальна многогранная гениальность

Леонардо да Винчи или М.В.Ломоносова.

Специфические и неспецифические компоненты адаптационного

процесса. Выдающийся физиолог XX в. Г.Селье (канадец венгер-

ского происхождения) в середине 50-х годов разработал концеп-

цию, согласно которой адаптация имеет два компонента — спе-

цифический и неспецифический.

Специфический компонент — это конкретные приспособления

конкретных органов, систем, биохимических механизмов, кото-

рые обеспечивают наиболее эффективную работу всего организма

в данных конкретных условиях. Например, у жителей горных рай-

онов, где содержание кислорода в атмосферном воздухе ниже,

чем на уровне моря, отмечается целый ряд особенностей системы

крови, в частности повышенная концентрация гемоглобина (что-

бы можно было более эффективно извлекать кислород из прохо-

дящего через легкие воздуха). Появление пигментации (загара) на

коже у людей, находящихся достаточно длительное время в усло-

виях сильной инсоляции (солнечной радиации), — также пример

структурной специфической адаптации, позволяющей снизить

риск повреждений избыточной лучистой энергией тех тканей,

которые расположены ниже поверхностных слоев кожи. Таких

примеров можно привести множество, и они хорошо известны

уже давно. Специфические приспособления в организме образу-

ются благодаря изменению активности определенных участков ге-

нома в тех клетках, от которых такое приспособление зависит, и

это происходит на протяжении довольно значительного времени.

Обычно человеку необходимо 6—8 нед на то, чтобы полностью

приспособиться к воздействию нового для него фактора.

Заслуга Г.Селье состоит в том, что он обратил внимание на

неспецифические компоненты адаптации, которые выявляются все-

гда, независимо от природы действующего фактора. Селье сумел

так же разобраться в основных механизмах гормональной регуля-

ции, формирующихся в начальный период адаптации, именуе-

мый стресс-реакцией.

Регуляция адаптационного процесса. При воздействии любого

стресс-фактора, прежде всего активируется мозговое вещество над-

почечников, которое вырабатывает адреналин и норадреналин. Эта

функция, находящаяся под контролем симпатического отдела ве-

гетативной нервной системы, всегда первой активизируется в от-

вет на любые неблагоприятные воздействия или просто на резкое

изменение окружающей среды. Даже резкое слово, приказ или уп-

рек могут вызвать у человека стресс, в результате которого в кровь

выбрасывается большое количество катехоламинов. Механизм дей-

ствия катехоламинов на клетки таков: мобилизуются запасы угле-

водов в печени, которые могут потребоваться, если организму пред-

192

стоят активные действия, а нервная ткань будет нуждаться в до-

полнительном питании для выполнения своей функции.

Вслед за этим наступает вторая фаза эндокринной регуляции

стресс-реакции. Для ее начала требуется активация гипоталами-

ческих нейромедиаторных влияний на гипофиз, в ответ на кото-

рые передняя доля гипофиза выбрасывает в кровь адренокорти-

котропный гормон. Этот гормон воздействует на кору надпочеч-

ников, заставляя ее выделять повышенные количества гормона

кортизола — одного из важнейших глюкокортикоидов. Это назва-

ние отражает тот факт, что гормоны данной группы, имеющие

сходное химическое строение, участвуют в регуляции углеводно-

го обмена в клетках организма, обладая сильно выраженным ка-

таболическим действием. Функция кортизола и ему подобных гор-

монов состоит в том, чтобы усиливать образование гликогена в

печени за счет использования аминокислот. Поскольку образова-

ние свободных аминокислот в организме происходит в основном

за счет распада мышечных белков, в результате совместного дей-

ствия гормонов надпочечников складывается такая метаболиче-

ская ситуация: мышечные белки при распаде превращаются в ами-

нокислоты; аминокислоты под действием кортизола превраща-

ются в гликоген; гликоген под действием адреналина высвобождает

глюкозу. В итоге быстро повышается уровень глюкозы в крови, что

и обеспечивает энергетические потребности нервной и других тка-

ней в условиях стресса. Кроме того, кортизол препятствует погло-

щению глюкозы клетками тела (кроме нервной ткани, которая не

чувствительна в этом отношении к действию инсулина и кортизо-

ла), а также усвоению мышечными клетками свободных амино-

кислот. Еще одно действие кортизола — усиленное расщепление

жиров в клетках тела, в результате чего уровень жирных кислот в

крови также повышается. Таким образом, гормональная регуля-

ция на этом этапе стресса состоит в мобилизации всех важнейших

субстратов, которые могут понадобиться любым тканям организ-

ма для срочной и напряженной деятельности.

Следует отметить, что быстрое повышение уровня кортизола в

крови в ответ на стрессовое воздействие происходит только при

первом столкновении с новым фактором. Если такие воздействия

повторяются, то степень повышения количества кортизола сни-

жается — наступает своего рода привыкание организма к стрессо-

генному воздействию.

Еще одно важное действие кортизола в условиях стресса состо-

ит в его взаимоотношениях с адреналином. Сам по себе кортизол

на сокращения гладкой мускулатуры кровеносных сосудов в мыш-

цах не влияет, но зато в его присутствии такое влияние оказыва-

ют катехоламины — адреналин и норадреналин. Если кортизола в

крови нет, т.е. ситуация не напоминает стрессовую, то и катехо-

ламины не оказывают действия на стенки сосудов мышц. Наобо-

193

рот, в условиях стресса сосуды мышц начинают сокращаться, что

приводит к существенному усилению кровотока через мышцы, и

обильно поступающая туда кровь приносит с собой дополнитель-

ные порции кислорода, глюкозы, жирных кислот и аминокис-

лот, которые высвободились из тканей под воздействием тех же

гормонов. Таким образом, создаются оптимальные условия для

напряженной мышечной деятельности, когда предстоит борьба

или бегство, — в этом и состоит биологический смысл описан-

ных гормональных реакций.

Если процесс адаптации затягивается, и организм длительное

время вынужден жить в условиях повышенного выделения гормо-

нов мозговым и корковым слоями надпочечников, наблюдается

гиперактивность желез внутренней секреции, вслед за которой

может наступить гормональное истощение. Г. Селье говорил в та-

ких случаях о «срыве адаптации». Такое состояние организма на-

зывают дезадаптацией, и если оно сохраняется достаточно долго

(недели, месяцы), то может привести к развитию болезней адап-

тации. Это могут быть различные заболевания в зависимости от

того, на каком уровне нейроэндокринной регуляции происходит

истощение: на уровне гипоталамуса, гипофиза или периферичес-

кого звена — надпочечников. В тяжелых случаях гормональное ис-

тощение в условиях длительного острого стресса может приводить

к летальному исходу.

Болезни адаптации. Чаще других в качестве болезни адаптации

выступает язвенная болезнь желудка или двенадцатиперстной киш-

ки. Это связано с тем, что кортизол стимулирует активность же-

лудочной секреции (такая реакция также биологически целесооб-

разна, так как помогает лучше переваривать и усваивать пищу,

которая нужна для предстоящей адаптации организма). Если ги-

перфункция надпочечников продолжается долго (неделями или

месяцами), т.е. организм находится в условиях продолжительного

стресса, повышенная желудочная секреция приводит сначала к

эрозии эпителия, а потом и к появлению язвы. Учитывая, что кор-

тизол и другие глюкопротеиды, выделяемые надпочечниками, об-

ладают противовоспалительным действием, развитие болезни час-

то протекает незаметно, так как ее симптомы приглушены из-за

измененного гормонального фона. Однако, уменьшая или даже

снимая симптомы воспаления, гормоны не препятствуют разви-

тию собственно патологического процесса. В результате нередко

неожиданно обнаруживаются довольно значительные поражения

слизистой желудка на фоне, казалось бы, полного благополучия.

У подростков в переходный период такие явления не столь уж

редки, что связано и с обилием стрессогенных воздействий, и с

неустойчивостью их нервной и гормональной регуляции. Поэтому

соблюдение правильного режима питания в подростковом возра-

сте — принципиально важная задача, от решения которой во мно-

194

гом зависит сохранение их здоровья. Пища должна быть по возмож-

ности разнообразная, не перенасыщенная острыми и кислыми про-

дуктами, обязательно содержащая растительный белок и мукопо-

лисахариды, а также витамины и микроэлементы.

Возрастные особенности механизмов и стратегии адаптивных

перестроек. Поскольку адаптация — процесс, обязательно регули-

руемый нейрогуморальными механизмами, а эти механизмы с

возрастом претерпевают существенные изменения и окончатель-

но формируются практически только к моменту завершения по-

лового созревания, ясно, что у детей адаптация протекает не со-

всем так, как у взрослых. Это касается как процессов срочной,

так и долговременной адаптации. Следует отметить, что вопросы

возрастных изменений адаптационных процессов у человека изу-

чены мало, поскольку подобные эксперименты с детьми прово-

дить невозможно. Однако в экспериментах на лабораторных жи-

вотных (обычно это белые крысы специальных пород) удалось

выявить целый ряд возрастных особенностей, которые затем были

обнаружены и у человека на основании косвенных данных.

Две важнейшие особенности отличают адаптационный процесс

в раннем возрасте: недостаточность ресурсов и генерализация адап-

тационного ответа.

Недостаточность ресурсов детского организма в условиях адап-

тации с очевидностью вытекает из рассмотренных выше особен-

ностей структуры функционального диапазона. Любое воздействие,

требующее адаптивных реакций организма, заставляет его функ-

циональные системы активироваться до уровня резервных воз-

можностей. Собственно говоря, если бы этого не было, то ника-

кая адаптация бы и не понадобилась. Нижняя граница зоны

резервных возможностей как раз и есть тот порог воздействия,

после преодоления которого и начинается адаптация. Если же

функции не выходят за границы зоны привычной активности, то

об адаптации нет и речи. Поскольку у детей, как было показано

выше, зона резервных возможностей существенно более узкая,

постольку этих резервов чаще не хватает на решение встающих

перед организмом задач, связанных с адаптацией. Таким образом,

дети более склонны впадать в состояние дезадаптации даже в ус-

ловиях действия «умеренных» с точки зрения взрослых функцио-

нальных нагрузок. Значимость этого обстоятельства для педагоги-

ческого процесса совершенно очевидна.

Однако дело еще более осложняется другим обстоятельством,

которое на первый взгляд совершенно не очевидно, но вполне

понятно кибернетикам, которые занимаются «обучением» ком-

пьютерных систем (например, на основе новейшей технологии

«нейронных сетей»). Организм ребенка в процессе взросления не-

прерывно обучается, причем это не только обучение в смысле

приобретения навыков и знаний, это еще и обучение функцио-

195

нальных систем организма взаимодействовать между собой и под-

чиняться единой нейрогуморальной регуляции. На ранних этапах

развития практически любое новое воздействие на организм вы-

зывает очень бурную реакцию, в которую вовлекаются чуть ли не

все органы и системы. Такого рода реакции физиологи называют

генерализованными, т.е. обобщенными, всеобщими. По-видимому,

эта особенность связана с тем, что нервные центры еще не умеют

качественно дифференцировать стимулы и «на всякий случай» при-

казывают всем периферическим органам и тканям активизиро-

вать свои функции. Недостаточно дифференцированными явля-

ются в раннем возрасте и гормональные стимулы: огромное

количество клеток в самых разных тканях имеют гормональные

рецепторы и как бы служат органами-мишенями для широкого

спектра гормонов. Кстати, в этом заключается одна из причин

того, что детский организм не способен к длительному удержа-

нию устойчивого состояния при деятельности.

Такая неспецифическая, генерализованная реакция крайне

неэкономична, она вынуждает активироваться большое число

органов и тканей, никак не способных помочь в решении сто-

ящей перед организмом адаптивной задачи. При том, что резерв-

ные возможности детского организма и без того невелики, такая

стратегия адаптации кажется просто абсурдной и неминуемо ве-

дет к перенапряжению. В раннем возрасте, действительно, порой,

невозможно по физиологическим реакциям понять, к какому

именно фактору адаптируется организм: к пониженной темпера-

туре, к повышенной температуре, к недостатку кислорода в ат-

мосфере или к усиленному режиму двигательной активности. Спе-

цифические компоненты адаптации почти не проявляются, а

неспецифические во всех этих случаях одинаковы.

С течением времени, по мере созревания нервных структур,

они дифференцируются и становятся значительно более избира-

тельными по отношению к приходящим стимулам. Благодаря это-

му более адресной, прицельной становится реакция вегетативных

и других исполнительных систем организма. Адаптационный от-

вет перестает быть генерализованным, а делается все более ло-

кальным и специфическим, т.е. строго направленным на устране-

ние конкретного фактора, на решение конкретной и узкой адап-

тационной задачи.

Наиболее значимые изменения в стратегии адаптации вегета-

тивных систем происходят в период полуростового скачка, т.е. в

5—7 лет. Лишь с этого возраста организм становится способным

осуществлять прицельные, специфические, хорошо дифференци-

рованные реакции в ходе своего приспособления. Это еще одна при-

чина, почему начало школьного обучения должно осуществляться

лишь после завершения этого важнейшего этапа развития и созре-

вания всех морфофункциональных систем детского организма.

196

В период полового созревания адаптационные процессы вре-

менно утрачивают свою эффективность и вновь становятся менее

специфическими. Однако это продолжается сравнительно недол-

го, и уже после 15—16 лет юноши и девушки имеют уровень адап-

тационных возможностей, практически как у взроблых.

Адаптация, тренировка и обучение. Физиологическая адаптация

лежит в основе тренировки и обучения. Тренировка в спорте и

физическом воспитании требует непременного применения сверх-

пороговых по объему и интенсивности нагрузок — иначе трени-

рованность не повышается. Это находится в полном согласии с

теорией адаптации. Кроме того, хорошо известен феномен «пере-

носа тренированности», который проявляется в том, что при тре-

нировке одного физического качества (свойства) совершенству-

ются и другие. Этот феномен особенно часто проявляется у детей

младшего школьного возраста, что вполне согласуется с возраст-

ными особенностями стратегии адаптации. Поскольку физичес-

кая тренировка представляет собой пример адаптации, при ее

организации необходимо учитывать возрастные особенности де-

тей, их меньшие резервные возможности и генерализацию адап-

тивных реакций, о чем не всегда знают учителя и тренеры. К тому

же, как и любая другая адаптация, физическая тренировка вызы-

вает мощнейшие нейрогуморальные сдвиги в организме, о чем

также не должны забывать тренеры и родители.

Совершенно те же процессы происходят при обучении, только

действующим фактором в этом случае служит обычно не столько

сверхпороговая интенсивность, сколько чрезмерный объем учеб-

ной нагрузки (впрочем, завышенный объем можно выполнить

только за счет резкой интенсификации ученического труда).

Адаптация к учебному процессу в школе наиболее остро про-

текает в 1-м классе, когда ребенок впервые попадает в совершен-

но новые для себя условия, затем в 5-м классе, когда он сталки-

вается с новой для него организацией учебного процесса в средней

школе. У подростков 7—8-х классов также имеются проблемы с

адаптацией, однако они скорее вызваны внутренними, чем вне-

шними причинами. Впрочем, это еще более серьезно, поскольку

эти внутренние причины невозможно ни устранить, ни хотя бы

смягчить. Единственный путь — уменьшить учебные нагрузки, что

могло бы способствовать более спокойному и менее болезненно-

му в психологическом и физиологическом аспектах протеканию

пубертатного процесса.

Вопросы и задания

1. Что общего и в чем различие между адаптацией и деятельностью?

2. Перечислите фазы деятельности и расскажите, в чем их смысл.

3. Что такое функциональный диапазон и как он меняется с возрастом?

4. Что такое устойчивое состояние и переходные процессы?

197

5. Каковы причины утомления и в чем оно проявляется?

6. Что такое работоспособность?

7. Как осуществляется регуляция функций в процессе деятельности?

8. Что такое срочная и долговременная адаптация?

9. Чем различаются специфические и неспецифические компоненты

адаптации?

10. Как регулируется адаптационный процесс?

11. В чем заключаются возрастные особенности адаптации?

12. Как соотносятся адаптация, тренировка и обучение?

Глава 10. МЫШЕЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

И ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕБЕНКА

Примерно 600 мышц, прикрепленных к костям, обеспечивают

все перемещения и движения человека — от рефлекторных мига-

ний и глотательных движений до виртуозных движений пальцев

пианиста, рук скрипача или кисти художника. Все скелетные мыш-

цы состоят из однотипных клеток, которые ввиду своей удлинен-

ной веретенообразной формы называют мышечным волокном. Ске-

летные мышцы наряду с нервными структурами относятся к воз-

будимым тканям, составляющие их клетки — наиболее сложно

устроенные в организме человека. С этим связано то обстоятель-

ство, что мышечная ткань проходит очень долгий и многоступен-

чатый путь возрастного развития (рис. 34), претерпевая на этом

пути несколько кардинальных перестроек.

198

Основной структурно-функциональной единицей скелетных

мышц является мышечное

волокно. Это очень боль-

шое вытянутое многоядер-

ное образование длиной

в несколько сантиметров,

при поперечнике около

100 мкм. Размер мышечно-

го волокна в десятки ты-

сяч раз превышает размер

средней по величине клет-

ки. Под микроскопом на

Возраст, годы

продольном срезе мышеч-

Рис. 34. Возрастные изменения массы ного волокна видна по-

скелетных мышц перечная исчерченность,

Рис. 35. Ультраструктура мышечной ткани человека:

А — мальчик 11 лет; Б — взрослый мужчина

которая обусловлена тем, что его внутренние структуры перио-

дически (через каждые 2—2,5 мкм) многократно повторяются

(рис. 35). Подобные гигантские поперечно-полосатые волокна со-

ставляют мышечную ткань не только скелетной мускулатуры, но

также сердца и некоторых внутренних органов.

Под микроскопом можно также обнаружить мелкие клетки —

сателлиты, прилегающие к многоядерным мышечным волокнам.

Эти клетки в определенных условиях быстро многократно делят-

ся, принимая участие в процессах дальнейшего развития ткани и

регенерации мышечного волокна после травм.

Типология мышечных волокон. Мышечные волокна, входящие в

состав скелетных мышц, отличаются друг от друга по многим

характеристикам. Чаще всего их подразделяют на два типа в за-

висимости от свойств главного сократительного белка миозина

(табл. 11).

Волокна I типа содержат «медленный» миозин. Это сравнительно

тонкие волокна с большим содержанием митохондрий и миогло-

бина (аналог гемоглобина, содержащийся в самих мышечных во-

локнах), поэтому они имеют красный цвет и их называют еще

«красные». В этих волокнах преобладает аэробная энергетика, наи-

более экономичная, но зависящая от доставки кислорода. Эти во-

локна малоутомляемы и обеспечивают выносливость мышц.

Волокна II типа содержат «быстрый» миозин. Они примерно в

2 раза толще волокон I типа. Этот тип подразделяется на подтипы

IIА и IIВ.

Волокна типа IIВ содержат много АТФ и креатинфосфата в

цитоплазме, но мало митохондрий и миоглобина, поэтому их

называют «белые». Их энергетика базируется главным образом на

199

анаэробных гликолитических процессах и в гораздо меньшей сте-

пени зависит от доставки кислорода. Однако эти волокна быстро

утомляются при нагрузке. Именно они определяют важнейшее ка-

чество — силу.

Таблица 11

Характеристика типов мышечных волокон человека

(по Дж. Хенриксону, 1978)

Показатель

Скорость сокращения

Цвет

Содержание липидов

АТФ-азная активность

Площадь поперечного сечения, мкм

Капилляризация в расчете

на 1 волокно

Капилляризация в расчете на 1 мм

Активность СДГ (окислительные

ферменты)

Активность ФФК (ферменты

анаэробного гликолиза)

Процентное содержание в

m. quadriceps femori

Тип I

Низкая

Красный

Высокое

Низкая

3880

3,9

1,03

11,8

12,8

43,0

Тип ПА

Высокая

Красный

Среднее

Высокая

4950

4,2

0,86

8,4

25,5

37,0

Тип ИВ

Высокая

Белый

Низкое

Высокая

3590

3,0

0,84

7,1

27,0

20,0

Волокна типа ПА по своим свойствам занимают промежуточ-

ное положение между волокнами типа I и подтипа ПВ. Эти про-

межуточные волокна характеризуются смешанной энергетикой, в

которой примерно поровну представлены механизмы митохонд-

риального окисления и анаэробного гликолиза. Размер таких во-

локон также промежуточный: меньший, чем волокон типа ПВ,

но больший, чем волокон типа 1. Площадь поперечного сечения

волокон типа IIА составляет 2500—3500 мкм

. Эти волокна явля-

ются наиболее универсальными, адаптивными.

Двигательная единица. Группу (обычно несколько десятков)

однотипных мышечных волокон снабжает управляющей инфор-

мацией один нейрон, расположенный в спинном мозге. Такая

нервная клетка, управляющая двигательными функциями, назы-

вается мотонейроном, а вместе с теми мышечными волокнами,

которые ей подчинены, она составляет двигательную единицу. Это

элементарная единица морфофункционального устройства скелет-

ных мышц. Волокна I типа, которые относятся к «медленным»,

иннервируются «медленными» мотонейронами, волокна II типа —

200