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

Подождите немного. Документ загружается.

взрослый

Рис. 38. Возрастные изменения функционального диапазона скелетных

мышц и зон мощности

Коэффициент полезного действия (КПД) характеризует экономичность

мышечной работы и очень существенно варьирует в зависимости от вида и

условий деятельности (табл.12). Для сравнения здесь же приведены КПД

некоторых технических устройств, созданных человеком за последние 200 лет.

Следует иметь ввиду, что КПД системы есть произведение частных КПД

всех элементов системы. КПД организма при мышечной работе представляет

собой произведение следующих частных КПД:

1) КПД мышечного сокращения — 80 %;

2) КПД ресинтеза макроэргов — 90 %;

3) КПД транспортных систем организма — 60 %;

4) КПД биомеханических структур организма — 80%.

Интенсивность нагрузки, при которой отмечается самый высокий КПД

мышечной работы характеризует зону экономичных режимов мышечной

деятельности. Эта зона расположена между зонами умеренной и большой

мощности. Работа такой интенсивности наиболее благоприятна для

поддержания функциональных возможностей человека, но ее тренировочный

эффект невелик: она оптимальна для разминки и восстановительных

упражнений после напряженной физической нагрузки.

Всякий нормальный человек в естественных условиях произвольной

деятельности выбирает такую интенсивность движений, которая соответствует

зоне экономичных режимов (принцип энергетического оптимума Ньюбар-

Контини). Это правило справедливо для здоровых людей в возрасте от 6 до 70

лет. Однако с годами у человека меняется интенсивность, соответствующая

зоне экономичных режимов. Поэтому при проведении физкультурных занятий

в смешанных возрастных группах (например, в условиях туристических

походов, массовых забегов и т.п.) не всегда удается выбрать такой темп

движений, который был бы одинаково оптимален для маленьких и больших.

Это необходимо учитывать.

191

Таблица 12

КПД различных движителей и скелетных мышц человека в разных

условиях деятельности

Движитель Вид деятельности (род работы),

техническое средство

КПД,

Паровая машина Паровоз, паровой молот и т.п. 5-8

Двигатель внутреннего

сгорания

Автомобиль, поршневой самолет 20-25

Дизельный двигатель Автомобиль, моторное судно, трактор 35-40

Ядерная энергетическая

установка

Судовой энергоблок; АЭС 30

Реактивный двигатель Реактивный самолет, ракета 15-20

Электродвигатель Электрические приводы машин и

механизмов

70-80

Скелетные мышцы

человека

Скоростной бег, подъем штанги, прыжок

Бег на средние дистанции, игра в хоккей,

большой теннис

Бег на длинные дистанции, лыжные гонки,

велосипед (шоссе) Марафонский бег, прогулка

10-12

12-15

18-20 25-30

Энергетическое и вегетативное обеспечение мышечной работы

Затраты энергии при мышечной деятельности могут быть учтены и

измерены достаточно полно. Энергетические затраты зависят от интенсивности

и объема нагрузки. Суммарные энергозатраты складываются из непременных

энергетических затрат на поддержание жизнедеятельности организма;

энергетических затрат на обеспечение сокращения выполняющих работу

скелетных мышц; дополнительных энергетических затрат на усиленную работу

сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем при мышечной

деятельности; постоянных энергетических затрат на поддержание позы;

нарастающих энергетических затрат на нормализацию внутренней среды

организма, изменяющейся под воздействием мышечной нагрузки.

Только в отдельных случаях удается количественно оценить каждый из

этих компонентов энергозатрат. Главный смысл изменений деятельности всех

физиологических систем при мышечной работе — обеспечение необходимого

уровня энергетических затрат в каждом из перечисленных компонентов.

Вегетативные системы. Физиологические системы организма,

обеспечивающие его нормальную жизнедеятельность в условиях покоя и

мышечной деятельности, называются вегетативными. К ним относятся

дыхание, кровообращение, пищеварение, выделение и т.п. При мышечной

работе активность всех вегетативных систем изменяется таким образом, чтобы

создать наилучшие условия снабжения работающих мышц энергией, а также

свести к минимуму те отрицательные сдвиги во внутренней среде организма,

которые возникают вследствие интенсивных обменных процессов в мышцах.

192

Соответствие активности вегетативных систем потребностям организма

обеспечивается за счет нервной и гуморальной регуляции.

0 25 50 75 100

Напряженность работы, Вт

Рис. 39. Возрастные и половые различия зависимости частоты пульса от

уровня нагрузки

Реакция вегетативных систем на нагрузку. Если нагрузка на мышцы

постепенно увеличивается, т.е. растет мощность внешней механической

работы, то соответственно увеличиваются потребление кислорода, скорость

кровотока, вентиляция легких и т.п. Большинство показателей деятельности

вегетативных систем организма линейно зависит от мощности нагрузки, т. е.

увеличение мощности на некоторую конкретную величину приводит к

соответствующему, всегда одинаковому, увеличению таких показателей, как,

например, потребление кислорода, частота пульса и др. (рис. 39). Однако это

справедливо только в том случае, если такие измерения производятся при

работе в устойчивом состоянии, т. е. не менее чем через 2—3 мин после начала

нагрузки или ее очередного повышения. Эти 2—3 мин необходимы организму

для того, чтобы отрегулировать уровень активности вегетативных функций в

соответствии с энергетическим запасом скелетных мышц.

Линейная зависимость между величиной нагрузки и показателями

деятельности физиологических систем организма позволяет оценивать

интенсивность нагрузки по величине частоты пульса или потребления

кислорода, когда строгое измерение мощности работы невозможно. И

наоборот, зная величину нагрузки, можно прогнозировать уровень активности

той или иной физиологической системы. На этом основана, в частности,

методика измерения «физической работоспособности при пульсе 170 уд/мин»

(сокращенно — ФР

170

, или PWC

170

— по первым буквам английских слов

«физическая», «работа», «способность»). Эта методика такова: испытуемый

выполняет поочередно два различных по нагрузке задания и оба раза у него

измеряют частоту пульса в устойчивом состоянии, т.е. не ранее, чем через 3

мин после начала работы. Полученные величины отмечают на графике

193

точками, а затем проводят через них прямую и находят точку ее пересечения с

прямой, отражающей уровень частоты пульса 170 уд/мин. Опустив из точки

пересечения перпендикуляр на ось абсцисс с нанесенными на ней величинами

мощности нагрузки (рис. 40), получают результат, выраженный в единицах

мощности. Это и будет значением PWC

I70

. Вместо графического можно

использовать способ расчета PWC

I70

по формуле, основанной на уравнении

прямой. Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения,

тест PWC

I70

либо его аналог (PWC

I50

, PWC

I30

и т.п.) проводится во всех случаях,

когда необходимо определить физические кондиции человека и

охарактеризовать его физическое здоровье.

Рис. 40. Схема графического определения PWC

I70

— пульс при первой нагрузке; f

— пульс при второй нагрузке; О u N—

мощность первой и второй нагрузки. Стрелки указывают величину PVC

I70

на шкале мощности

Для детей и подростков школьного возраста определение PWC170 может

быть несколько упрощено за счет того, что вместо двух нагрузок допустимо

задавать лишь одну, но обязательно, чтобы частота пульса при этом достигала

140 уд/мин или более. Тогда второй точкой на графике можно отмечать

значение пульса покоя. У дошкольников моложе 6 лет корректное измерение

величины PWC

I70

невозможно, поскольку они не могут поддерживать

устойчивое состояние активности своих вегетативных функций.

Измерение PWC

I70

— простой и эффективный способ оценки

функциональных возможностей организма при работе в зонах умеренной и

большой мощности, в которых и осуществляется главным образом

жизнедеятельность организма. Хотя измеряемой величиной в этом тесте

является частота пульса, оцениваются в комплексе все составляющие

кислородно-транспортной системы организма. Отклонения от нормы в любой

из важнейших систем — кровообращения, дыхания, двигательного аппарата —

сразу же проявятся в значительно более низких показателях PWC

I70

. Напротив,

почти любой вид тренированности приводит к существенному увеличению

PWC

I70

Нелинейные зависимости. Линейная зависимость показателей активности

вегетативных систем организма от мощности имеет место только в диапазоне

194

нагрузок, где энергетическое обеспечение непосредственно связано с доставкой

кислорода к работающим мышцам, т.е. в «аэробном» диапазоне (зоны

умеренной и большой мощности). Если же заданная нагрузка лежит в зоне

субмаксимальной или максимальной мощности, то линейной зависимости

между показателями работы физиологических функций и уровнем нагрузки не

наблюдается (рис. 41). В большинстве случаев показатели деятельности

вегетативных систем растут по мере повышения мощности нагрузки до

определенного предела, после которого их увеличение прекращается, а если

мощность продолжает возрастать, то возможно даже снижение этих

показателей. Такой уровень активности вегетативной функции, который может

быть достигнут при самой интенсивной работе в аэробных условиях,

называется максимальным. Если функция достигла своего максимального

уровня, то дальнейшее увеличение мощности нагрузки может привести только

к снижению показателя.

Рис. 41. Примеры нелинейных зависимостей параметров энергетического

обмена от мощности мышечной работы

— концентрация лактата в крови; Q

— скорость потребления

кислорода

Некоторые показатели активности вегетативных функций в естественных

условиях мышечной деятельности не могут достичь своего максимального

уровня. Так, максимальная вентиляция легких возможна только при

произвольном наиболее частом и глубоком дыхании. Другие функции, такие

как частота пульса, объемная скорость кровотока и потребление кислорода,

могут достичь максимума только в условиях мышечной деятельности.

Максимальные уровни частоты пульса и потребления кислорода обычно

достигаются при одинаковой нагрузке. Мощность такой нагрузки, при которой

частота пульса и потребление кислорода достигают максимального уровня,

называют критической. Нагрузки критической мощности очень трудоемки и не

195

могут продолжаться долго (обычно не более 3—5 мин).

Аэробная производительность и аэробный диапазон. Величина

максимального потребления кислорода (МПК) — один из главных показателей

в физиологии мышечной деятельности. Физиологический смысл величины

МПК состоит в том, что она отражает суммарную пропускную способность

всех механизмов транспорта кислорода, начиная от транспорта газов в легких и

кончая транспортом электронов в митохондриях скелетно-мышечных волокон.

При этом, поскольку скорость поглощения кислорода пропорциональна

мощности работы, которая может за счет этого выполняться, величину МПК

называют еще «аэробной производительностью» организма.

Диапазон нагрузок от состояния покоя до критической мощности, при

которой достигается МПК, называют «аэробным диапазоном». Хотя большая

часть потребности организма в энергии при нагрузках в аэробном диапазоне

действительно покрывается за счет использования кислорода, бескислородные

(анаэробные) источники также обязательно участвуют в энергообеспечении

мышечной работы, по крайней мере в период врабатывания.

Поддержание гомеостаза при мышечной нагрузке. Изменения

внутренней среды, происходящие во время мышечной работы, требуют

напряжения механизмов гомеостаза. Поскольку при нагрузке обменные

процессы ускоряются во много раз, во столько же раз больше образуется

разнообразных продуктов, подлежащих удалению из организма, а также

метаболической воды. Одновременно резко увеличивается температура тела,

поскольку вся энергия, освободившаяся в клетках и не превращенная в

механическую работу, преобразуется в тепло, и это тепло нагревает организм.

Учитывая, что в режиме МПК человек вырабатывает около 1200— 1500 Вт

энергии, и лишь 1/5 ее часть реализуется в виде механической работы, можно

себе представить, как быстро нагрелся бы организм, если бы не работали

системы терморегуляции.

Физиологическая «стоимость» физической работы. Физическая работа,

которую выполняет человек, отнюдь не идентична той механической работе,

которая оценивается с помощью эргометрических методов. Ни интенсивность,

ни объем внешней механической работы, которую может выполнить человек,

сами по себе ничего не говорят о той физиологической «цене», которую платит

организм при физической нагрузке. Под «физиологической ценой» нагрузки мы

понимаем ту добавочную работу, которую вынуждены выполнять системы

организма (в том числе в восстановительном периоде) для компенсации затрат

на поддержание гомеостаза. Для ее оценки можно использовать некоторые

показатели сердечной деятельности и потребления кислорода,

зарегистрированные во время работы и в восстановительном периоде.

Возрастные этапы становления энергетики мышечной деятельности.

Первый год жизни ребенка представляет собой период бурного становления

мышечной функции и, разумеется, ее энергетического и вегетативного

обеспечения. Этот этап продолжается до возраста 3 лет, после чего

преобразования в мышцах тормозятся, и следующий этап начинается вместе с

полуростовым скачком примерно в 5 лет. Важнейшим событием здесь является

196

появление уже близких ко взрослому варианту типов мышечных волокон, хотя

их соотношение еще является «детским», да и функциональные возможности

вегетативных систем еще недостаточно велики. В школьном возрасте ребенок

проходит еще целый ряд этапов, только на последнем из них достигая

«взрослого» уровня регуляции, функциональных возможностей и энергетики

скелетных мышц:

1-й этап — возраст от 7 до 9 лет — период поступательного развития всех

механизмов энергетического обеспечения с преимуществом аэробных систем;

2-й этап — возраст 9—10 лет — период «расцвета» аэробных

возможностей, роль анаэробных механизмов мала;

3-й этап — период от 10 до 12—13 лет — отсутствие увеличения

аэробных возможностей, умеренное увеличение анаэробных возможностей,

развитие фосфагенного и анаэробно-гликолитического механизмов протекает

синхронно;

4-й этап — возраст от 13 до 14 лет — существенное увеличение аэробных

возможностей, торможение развития анаэробно-гликолитического механизма

энергообеспечения; фосфагенный механизм развивается пропорционально

увеличению массы тела;

5-й этап — возраст 14—15 лет — прекращение увеличения аэробных

возможностей, резкое увеличение емкости анаэробно-гликолитического

процесса, развитие фосфагенного механизма, по-прежнему, пропорционально

увеличению массы тела;

6-й этап — период от 15 до 17 лет — аэробные возможности растут

пропорционально массе тела, продолжают быстро расти анаэробно-

гликолитические возможности, значительно ускоряется развитие механизмов

фосфагенной энергопродукции, завершается формирование дефинитивной

структуры энергообеспечения мышечной деятельности.

На процессы созревания энергетических и вегетативных систем огромное

влияние оказывает половое созревание, так как половые гормоны

непосредственно влияют на метаболические возможности скелетных мышц.

Аэробное энергообеспечение, достигающее расцвета еще до начала пубертата,

на первых его стадиях даже несколько ухудшается, однако к возрасту 14 лет

отмечается новый рост возможностей аэробных систем энергообеспечения. Это

связано, в частности, с внутренними потребностями мышц, которым для

последнего этапа дифференцировок требуются мощные окислительные

системы. Анаэробное энергообеспечение резко активируется уже на начальных

стадиях полового созревания, затем (III стадия) темп его совершенствования

замедляется, а после достижения IV стадии полового созревания (15—16 лет у

мальчиков, 13—14 лет у девочек) наблюдается бурный рост анаэробных

возможностей, особенно у юношей. Девушки в этот период уже сильно

отличаются от юношей по характеру и уровню развития мышечной энергетики.

197

Вопросы и задания

1. Расскажите о мышечных волокнах и их онтогенезе.

2. Какова динамика роста мышц?

3. Расскажите о видах мышечной работы. Что такое зоны мощности?

4. Перечислите функции вегетативных систем. Какова их роль в

обеспечении мышечной работы?

5. Какие этапы становления энергетики мышечной деятельности вы

знаете?

198

Раздел III ОРГАНИЗМ КАК ЦЕЛОЕ

Глава 11. НЕРВНАЯ СИСТЕМА: ЗНАЧЕНИЕ

И СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ

Функционирование организма как единого целого, взаимодействие

отдельных его частей, сохранение постоянства внутренней среды (гомеостаза)

осуществляются двумя регуляторными системами: нервной и гуморальной.

Значение нервной системы. Основными функциями нервной системы

являются: 1) быстрая и точная передача информации о состоянии внешней и

внутренней среды организма; 2) анализ и интеграция всей информации; 3)

организация адаптивного реагирования на внешние сигналы; 4) регуляция и

координация деятельности всех органов и систем в соответствии с

конкретными условиями деятельности и изменяющимися факторами внешней и

внутренней среды организма. С деятельностью высших отделов нервной

системы связано осуществление психических процессов и организация

целенаправленного поведения.

Нервная система, являясь единой и высоко интегрированной, на основе

структурных и функциональных особенностей, подразделяется на две основные

части — центральную и периферическую.

Центральная нервная система включает головной и спинной мозг, где

расположены скопления нервных клеток — нервные центры, осуществляющие

прием и анализ информации, ее интеграцию, регуляцию целостной

деятельности организма, организацию адаптивного реагирования на внешние и

внутренние воздействия.

Периферическая нервная система состоит из нервных волокон,

расположенных вне центральной нервной системы. Одни из них —

афферентные (чувствительные) волокна — передают сигналы от рецепторов,

находящихся в разных частях тела в центральную нервную систему, другие —

эффекторные (двигательные) волокна — из центральной нервной системы на

периферию.

Нейрон — основная структурно-функциональная единица нервной

системы. Нейроны — высокоспециализированные клетки, приспособленные

для приема, кодирования, обработки, интеграции, хранения и передачи

информации. Нейрон состоит из тела и отростков двух типов: коротких

ветвящихся дендритов и длинного отростка — аксона (рис. 42).

Тело клетки имеет диаметр от 5 до 150 микрон. Оно является

биосинтетическим центром нейрона, где происходят сложные метаболические

процессы. Тело содержит ядро и цитоплазму, в которой расположено

множество органелл, участвующих в синтезе клеточных белков (протеинов).

Аксон. От тела клетки отходит длинный нитевидный отросток аксон,

выполняющий функцию передачи информации. Аксон покрыт особой

199

миелиновой оболочкой, создающей оптимальные условия для проведения

сигналов. Конец аксона сильно ветвится, его конечные веточки образуют

контакты со множеством других клеток (нервных, мышечных и др.). Скопления

аксонов образуют нервное волокно.

Рис. 42. Строение нейрона

А — синапс отдельно; Б — участок синапса, выделенный на А

Дендриты — сильно ветвящиеся отростки, которые во множестве

отходят от тела клетки. От одного нейрона может отходить до 1000 дендритов.

Тело и дендриты покрыты единой оболочкой и образуют воспринимающую

(рецептивную) поверхность клетки. На ней расположена большая часть

контактов от других нервных клеток — синапсов. Клеточная оболочка —

мембрана — является хорошим электрическим изолятором. По обе стороны

мембраны существует электрическая разность потенциалов — мембранный

потенциал, уровень которого изменяется при активации синаптических

контактов.

Синапс имеет сложное строение (см. рис. 42). Он образован двумя

мембранами: пресинаптической и постсинаптической. Пресинаптическая

200