Безруких М.М., Сонькин В.Д., Фарбер Д.А. Возрастная физиология (физиология развития ребенка)
Подождите немного. Документ загружается.
подобные эксперименты с детьми проводить невозможно. Однако в
экспериментах на лабораторных животных (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 адаптационного ответа.
Недостаточность ресурсов детского организма в условиях адаптации с
очевидностью вытекает из рассмотренных выше особенностей структуры
функционального диапазона. Любое воздействие, требующее адаптивных
реакций организма, заставляет его функциональные системы активироваться до
уровня резервных возможностей. Собственно говоря, если бы этого не было, то
никакая 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 условиях действия «умеренных» с
точки зрения взрослых функциональных нагрузок. Значимость этого
обстоятельства для педагогического процесса совершенно очевидна.
Однако дело еще более осложняется другим обстоятельством, которое на
первый взгляд совершенно не очевидно, но вполне понятно кибернетикам,
которые занимаются «обучением» компьютерных систем (например, на основе
новейшей технологии «нейронных сетей»). Организм ребенка в процессе
взросления непрерывно обучается, причем это не только обучение в смысле
приобретения навыков и знаний, это еще и обучение функциональных систем
организма взаимодействовать между собой и подчиняться единой
нейрогуморальной регуляции. На ранних этапах развития практически любое
новое воздействие на организм вызывает 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» приказывают всем
периферическим органам и тканям активизировать свои функции.
Недостаточно дифференцированными являются 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 удержанию устойчивого
состояния при деятельности.
Такая неспецифическая, генерализованная реакция крайне неэкономична,
она вынуждает активироваться большое число органов и тканей, никак не
способных помочь в решении стоящей перед организмом адаптивной задачи.
При том, что резервные возможности детского организма и без того невелики,
181
такая стратегия адаптации кажется просто абсурдной и неминуемо ведет к
перенапряжению. В раннем возрасте, действительно, порой, невозможно по
физиологическим реакциям понять, к какому именно фактору адаптируется
организм: к пониженной температуре, к повышенной температуре, к недостатку
кислорода в атмосфере или к усиленному режиму двигательной активности.
Специфические 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 избирательными по
отношению к приходящим стимулам. Благодаря этому более адресной,
прицельной становится реакция вегетативных и других исполнительных систем
организма. Адаптационный ответ перестает быть генерализованным, а делается
все более локальным и специфическим, т.е. строго направленным на
устранение конкретного фактора, на решение конкретной и узкой
адаптационной задачи.
Наиболее значимые изменения в стратегии адаптации вегетативных
систем происходят в период полуростового скачка, т.е. в 5—7 лет. Лишь с этого
возраста организм становится способным осуществлять прицельные,
специфические, хорошо дифференцированные реакции в ходе своего
приспособления. Это еще одна причина, почему начало школьного обучения
должно осуществляться лишь после завершения этого важнейшего этапа
развития и созревания всех морфофункциональных систем детского организма.
В период полового созревания адаптационные процессы временно
утрачивают свою эффективность и вновь становятся менее специфическими.
Однако это продолжается сравнительно недолго, и уже после 15—16 лет
юноши и девушки имеют уровень адаптационных возможностей, практически
как у взрослых.
Адаптация, тренировка и обучение. Физиологическая адаптация лежит
в основе тренировки и обучения. Тренировка в спорте и физическом
воспитании требует непременного применения сверхпороговых по объему и
интенсивности нагрузок — иначе тренированность не повышается. Это
находится в полном согласии с теорией адаптации. Кроме того, хорошо
известен феномен «переноса тренированности», который проявляется в том,
что при тренировке одного физического качества (свойства) совершенствуются
и другие. Этот феномен особенно часто проявляется у детей младшего
школьного возраста, что вполне согласуется с возрастными особенностями
стратегии адаптации. Поскольку физическая тренировка представляет собой
пример адаптации, при ее организации необходимо учитывать возрастные
особенности детей, их меньшие резервные возможности и генерализацию
адаптивных реакций, о чем не всегда знают учителя и тренеры. К тому же, как и
любая другая адаптация, физическая тренировка вызывает 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
182
сверхпороговая интенсивность, сколько чрезмерный объем учебной нагрузки
(впрочем, завышенный объем можно выполнить только за счет резкой
интенсификации ученического труда).
Адаптация к учебному процессу в школе наиболее остро протекает в 1-м
классе, когда ребенок впервые попадает в совершенно новые для себя условия,
затем в 5-м классе, когда он сталкивается 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
внешними 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 болезненному 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?
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?
183
Глава 10. МЫШЕЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И
ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕБЕНКА
Примерно 600 мышц, прикрепленных к костям, обеспечивают все
перемещения и движения человека — от рефлекторных миганий и
глотательных движений до виртуозных движений пальцев пианиста, рук
скрипача или кисти художника. Все скелетные мышцы состоят из однотипных
клеток, которые ввиду своей удлиненной веретенообразной формы называют
мышечным волокном. Скелетные мышцы наряду с нервными структурами
относятся к возбудимым тканям, составляющие их клетки — наиболее сложно
устроенные в организме человека. С этим связано то обстоятельство, что
мышечная ткань проходит очень долгий и многоступенчатый путь возрастного
развития (рис. 34), претерпевая на этом пути несколько кардинальных
перестроек.
Мышечное волокно
Основной структурно-функциональной единицей скелетных мышц
является мышечное волокно. Это очень большое вытянутое многоядерное
образование длиной в несколько сантиметров, при поперечнике около 100 мкм.
Размер мышечного волокна в десятки тысяч раз превышает размер средней по
величине клетки. Под микроскопом на продольном срезе мышечного волокна
Рис. 34. Возрастные изменения массы скелетных мышц
Рис. 35. Ультраструктура мышечной ткани человека: А — мальчик 11
лет; Б — взрослый мужчина
видна поперечная исчерченность, которая обусловлена тем, что его внутренние
структуры периодически (через каждые 2—2,5 мкм) многократно повторяются
184
(рис. 35). Подобные гигантские поперечно-полосатые волокна составляют
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 делятся, 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 зависимости от свойств главного
сократительного белка миозина (табл. 11).
Волокна I типа содержат «медленный» миозин. Это сравнительно тонкие
волокна с большим содержанием митохондрий и миоглобина (аналог
гемоглобина, содержащийся в самих мышечных волокнах), поэтому они имеют
красный цвет и их называют еще «красные». В этих волокнах преобладает
аэробная энергетика, наиболее экономичная, но зависящая от доставки
кислорода. Эти волокна 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 анаэробных гликолитических
процессах и в гораздо меньшей степени зависит от доставки кислорода. Однако
эти волокна быстро утомляются при нагрузке. Именно они определяют
важнейшее качество — силу.
Таблица 11
Характеристика типов мышечных волокон человека (по Дж.
Хенриксону, 1978)
Показатель Тип I Тип IIА Тип IIВ
Скорость сокращения Низкая Высокая Высокая
Цвет Красный Красный Белый
Содержание липидов Высокое Среднее Низкое
АТФ-азная активность Низкая Высокая Высокая
Площадь поперечного
сечения, мкм
2
3880 4950 3590
Капилляризация в расчете на 1
волокно
3,9 4,2 3,0
Капилляризация в расчете на 1
мм
2
1,03 0,86 0,84
Активность СДГ
(окислительные ферменты) 11,8 8,4 7,1
Активность ФФК (ферменты
анаэробного гликолиза) 12,8 25,5 27,0
Процентное содержание в m.
quadriceps femori 43,0 37,0 20,0
Волокна типа ПА по своим свойствам занимают промежуточное
положение между волокнами типа I и подтипа ПВ. Эти промежуточные
185
волокна характеризуются смешанной энергетикой, в которой примерно
поровну представлены механизмы митохондриального окисления и
анаэробного гликолиза. Размер таких волокон также промежуточный: меньший,
чем волокон типа ПВ, но больший, чем волокон типа I. Площадь поперечного
сечения волокон типа ПА составляет 2500—3500 мкм2. Эти волокна являются
наиболее универсальными, адаптивными.
Двигательная единица. Группу (обычно несколько десятков) однотипных
мышечных волокон снабжает управляющей информацией один нейрон,
расположенный в спинном мозге. Такая нервная клетка, управляющая
двигательными функциями, называется мотонейроном, а вместе с теми
мышечными волокнами, которые ей подчинены, она составляет двигательную
единицу. Это элементарная единица морфофункционального устройства
скелетных мышц. Волокна I типа, которые относятся к «медленным»,
иннервируются «медленными» мотонейронами, волокна II типа —
«быстрыми». В составе каждой двигательной единицы все волокна одного типа.
Подавляющее большинство мышц являются смешанными, состоящими из
волокон I и II типов в различных пропорциях. Соотношения типов волокон
достаточно устойчивы и определяются генетическими факторами. От этих
соотношений зависят, например, достижения человека в том или ином виде
спорта или в другой деятельности, где успех определяется возможностями
мышц.
Онтогенез мышечных волокон
Эмбриональный период. Формирование мышечной ткани начинается на
4—6-й неделе внутриутробного развития. В это время формируются так
называемые миотрубки — первичные мышечные волокна. Несколько позже в
мышцы прорастают длинные отростки (аксоны) мотонейронов спинного мозга.
С этой стадии начинается синхронное формирование нервно-мышечного
аппарата, причем основные индуктивные влияния осуществляются нервными
элементами. Процессы дифференциации (т.е. появление разных типов)
мышечных волокон связаны в первую очередь с развитием мотонейронов
спинного мозга. Это происходит на 6—7-м месяце внутриутробной жизни, и
ребенок рождается с мышцами, уже частично прошедшими этап первичной
дифференцировки. Постнатальное развитие. К моменту рождения количество
волокон, включившихся в первый этап дифференциации, составляет в среднем
43 % (рис. 36). Дифференцировочные процессы резко усиливаются в возрасте
от 1 до 2 лет. К концу этого срока уже можно выделить волокна с «быстрым»
миозином (например, в четырехглавой мышце бедра их 15%), с «медленным»
(61 %) и с «промежуточным» (24 %).
В возрасте от 5 до 10 лет в соотношениях между волокнами различного
типа устанавливается относительная стабильность, но затем в возрасте 11 — 12
лет наступает волна пубертатных перестроек. Это проявляется в увеличении
числа волокон с «быстрым» миозином (тип ПВ). В возрасте 14 лет наблюдается
увеличение относительного количества волокон I типа. На этом этапе все
мышечные структуры резко увеличивают темпы роста.
186
К 17—18 годам окислительные возможности мышечной ткани и
относительное количество волокон I типа снижаются. Устанавливается
дефинитивное, характерное для взрослых, соотношение мышечных волокон
разного типа. К этому возрасту достигают свойственного взрослым уровня и
поперечные размеры мышечных волокон.
Старение (70 лет и старше) приводит к значительным изменениям
мышечных структур. К этому возрасту снижается число «сильных» волокон
НОВОРОЖДЕННЫЙ МАЛЬЧИК 4 ГОДА
МАЛЬЧИК 7 ЛЕТ ПОДРОСТОК 12 ЛЕТ
ПОДРОСТОК 14 ЛЕТ ЮНОША 17 ЛЕТ
3
Рис. 36. Возрастные изменения волоконного состава скелетных мышц
(m. quadriceps femori) 1 — волокна типа I; 2 — волокна типа IIА; 3 —
волокна типа IIВ
типа IIВ и более половины объема мышцы составляют наиболее универсальные
промежуточные волокна типа IIА. Дифференцировка скелетных мышц —
сложный многоэтапный процесс, в котором уровень дефинитивной (зрелой)
организации мышечных структур достигается только после завершения
187
полового созревания. В процессе онтогенеза развиваются не отдельные
мышечные волокна, а суперструктуры — двигательные единицы, в которых
изменение состояния мышечных волокон определяется в первую очередь
развитием соответствующих мотонейронов.
Динамика роста скелетных мышц
Мышцы в онтогенезе растут иначе, чем другие ткани: если у большинства
этих тканей по мере развития снижаются темпы роста, то у мышц
максимальная скорость роста приходится на заключительный пубертатный
скачок роста. В то время как, например, относительная масса мозга у человека
от рождения до взрослого состояния снижается с 10 до 2 %, относительная
масса мышц возрастает с 22 до 40 %.
На рис. 37 показаны константы скорости роста мышц верхних и нижних
конечностей у мальчиков 7—17 лет. В возрасте 7—8 лет мышцы верхних и
нижних конечностей растут относительно медленно. В возрастном интервале 8
—9 лет скорости роста увеличиваются. Это относится в особенности к
мускулатуре рук. Затем в возрасте 10—11 лет интенсивность ростовых
процессов резко понижается. На 12-летний возраст приходится увеличение
скорости роста мышц рук (пубертатный рост начинается с верхних
конечностей). В 12—13 лет интенсивно растет мускулатура ног.
Рис. 37. Скорость роста массы тела и мышц конечностей у мальчиков
школьного возраста
В 13—14 лет опять отмечается торможение роста мышц ног, явно
связанное с первой фазой пубертатных дифференцировок мышечных волокон.
Вторая фаза этого процесса приходится на 16 лет, когда вновь тормозится
скорость роста. На рис. 37 приведена и динамика константы скорости роста
массы тела обследованных. Видно, что она в значительной степени отражает
изменения мышечной массы.
Работа мышц
Любое движение, которое совершает человек, происходит за счет
сокращения его мышц. Сокращаясь, мышцы приводят в действие систему
рычагов, из которых состоит скелет, за счет их перемещения и происходит
движение рук, ног, туловища, головы, каждого пальца и т.д. Из школьного
188
курса физики известно: для того чтобы какое-либо тело начало двигаться,
необходимо к нему приложить силу, а результат перемещения представляет
собой работу. Например, если гиря массой 1 кг поднята на высоту 1 м, то
совершена работа 1 кГм (килограммометр). Сокращение мышц позволяет
перемещать в пространстве части тела и грузы, т. е. выполнять мышечную
работу.
Виды мышечной работы. Между физической работой и мышечной
работой есть одно важное различие. Если груз находится на какой-то
поверхности и давит на нее, но не перемещается, то с точки зрения физики
никакой работы при этом не совершается. Если же этот груз лежит, например,
на ладони, и также никуда не перемещается, мышечная работа все равно
совершается, только эта работа связана не с перемещением, а с удержанием
груза. Принято разделять мышечную работу на динамическую (перемещение в
пространстве) и статическую (удержание в пространстве). Если человек просто
стоит, то и тогда мышцы ног и туловища выполняют статическую работу.
Всякая двигательная активность осуществляется за счет чередования
динамической и статической работы мышц.
Для того чтобы совершилась динамическая работа, необходимо, чтобы
сократившаяся мышца укоротилась. Тогда она сдвинет, приблизит друг к другу
те элементы скелета, к которым прикреплена с помощью сухожилий своими
концами. Например, если человек сгибает руку в локте, то при этом
сокращается и укорачивается двуглавная мышца плеча, подтягивая дальний
конец предплечья, к которому прикреплено сухожилие, ближе к плечу.
Внутримышечное давление при этом почти не меняется, а мышца сильно
изменяется в форме и размере. Такой режим сокращения мышцы называется
изотоническим (от лат. «изо» — постоянный, одинаковый; тонус — давление).
Совсем иначе работает мышца при статической нагрузке. Если
удерживать на ладони вытянутой руки груз, то будет сокращаться та же
двуглавая мышца плеча, но при этом ее длина не изменится (иначе бы
предплечье, кисть и груз начали перемещаться), а внутримышечное давление
сильно возрастет. Такой режим сокращения мышцы называется
изометрическим («метрос» — размер, длина). В ряде случаев мышцы работают
в смешанном режиме, одновременно укорачиваясь и развивая значительное
внутримышечное давление. Такой смешанный режим работы мышцы
называется плеометрическим (от «плео» — полный, многочисленный).
Для организма важен не только объем работы, но и интенсивность, с
которой она производится. В тех случаях, когда работа может быть точно
измерена, показателем интенсивности является мощность, т.е. количество
работы, выполняемой в единицу времени.
Зоны мощности. Мощность (интенсивность) совершаемой человеком
мышечной работы никогда не равна нулю, так как даже лежа, в полном покое,
человек непрерывно совершает работу, связанную с поддержанием позы, у него
сокращаются дыхательные мышцы, многие мелкие мышцы. Однако мощность
мышечной работы не может увеличиваться беспредельно: у каждого человека
есть определенный максимальный уровень интенсивности, превысить который
189
человек не может (как невозможно, например, сдвинуть за счет мускульной
силы стену кирпичного здания или многотонную глыбу). Диапазон между
минимальным и максимальным уровнем интенсивности мышечной работы
называется функциональным диапазоном скелетных мышц. Этот
функциональный диапазон не является однородным и состоит из отдельных зон
мощности. Чем выше мощность работы, тем меньше время, в течение которого
эта мощность может поддерживаться. В зоне умеренной мощности работа
может продолжаться от нескольких часов до получаса. В зоне большой
мощности длительность работы не превышает 30 мин. В зоне субмаксимальной
мощности длительность работы колеблется от 3 мин до 30 с. В зоне
максимальной мощности время работы может быть 30 с или меньше.
Для каждой из зон мощности характерны свои, специфические
особенности энергетического и вегетативного обеспечения мышечной работы.
Так, в зоне умеренной мощности работа обеспечивается почти исключительно
аэробными механизмами, в сокращениях принимают участие главным образом
«медленные» двигательные единицы, входящие в их состав мышечные волокна
получают энергию благодаря окислению углеводов и жиров в митохондриях,
поэтому здесь крайне важна бесперебойная доставка достаточного количества
кислорода. В зоне максимальной мощности работают в основном волокна типа
IIА, которые обладают большой мощностью и большим запасом
креатинфосфата. В зоне субмаксимальной мощности преимущественно
активированы волокна типа IIВ, для которых главным источником энергии
является анаэробный гликолиз. Они не зависят непосредственно от поставки
кислорода, но в процессе работы вырабатывают большое количество молочной
кислоты, которую необходимо удалить, чтобы не произошло закисление
внутренней среды организма. Эта задача решается в организме за счет
активации окислительных процессов в печени, не сокращающихся мышцах и
некоторых других органах. Зона большой мощности характеризуется
смешанным энергообеспечением, т.е. совместным функционированием
аэробного и анаэробно-гликолитического источников энергии. Работа в этой
зоне обеспечивается сокращением волокон обоих типов.
Структура зон мощности определяется объективными законами
сокращения мышц, а также зависит от индивидуальных, половых, возрастных
особенностей. Так, в период от 7 до 17 лет относительная ширина зон
мощности и их соотношение между собой значительно меняется (рис. 38). С
возрастом расширяется весь функциональный диапазон, особенно за счет
увеличения зон большой, субмаксимальной и максимальной мощности. О
физиологических причинах этих возрастных изменений будет сказано ниже.
Экономичность мышечной работы. Согласно закону сохранения
энергии, для того чтобы выполнить любую работу, необходимо затратить
пропорциональное количество энергии. При этом затраты энергии всегда
значительно больше, чем объем выполненной работы. Отношение выполненной
работы к затраченной энергии называется коэффициентом полезного действия
и выражается в процентах.
190