Робота м'язів - Вікова фізіологія - Конспект лекцій

Робота м'язів

Будь-який рух, яке робить людина, відбувається за рахунок скорочення його м'язів. Скорочуючи, м'язи приводять в дію систему важелів, з яких складається скелет, за рахунок їх переміщення і відбувається рух рук, ніг, тулуба, голови, кожного пальця і ​​т.д. Зі шкільного курсу фізики відомо: для того, щоб будь-яке тіло почало рухатися, необхідно до нього прикласти силу, а результат переміщення являє собою роботу. Наприклад, якщо гиря масою 1 кг піднята на висоту 1 м, то здійснена робота I кгм (кілограмометрах). Скорочення м'язів дозволяє переміщати в просторі частини тіла і вантажі, тобто виконувати м'язову роботу.

Види м'язової роботи. Між фізичною роботою і м'язової роботою є одна важлива відмінність. Якщо вантаж знаходиться на якийсь поверхні і тисне на неї, але нс переміщається, то з точки зору фізики ніякої роботи при цьому не відбувається. Якщо ж цей вантаж лежить, наприклад, на долоні, і також нікуди не переміщається, м'язова робота все одно відбувається, тільки ця робота пов'язана не з переміщенням, а з утриманням вантажу. Прийнято розділяти м'язову роботу на динамічну (переміщення в просторі) і статичну (утримання в просторі). Якщо людина просто стоїть, то й тоді м'язи ніг і тулуба виконують статичну роботу. Будь-яка рухова активність здійснюється за рахунок чергування динамічної та статичної роботи м'язів.

Для того щоб відбулася динамічна робота, необхідно, щоб скоротилася м'яз укоротилася. Тоді вона зрушить, наблизить один до одного ті елементи скелета, до яких прикріплена за допомогою сухожиль своїми кінцями. Наприклад, якщо людина згинає руку в лікті, то при цьому скорочується і скорочується лвуглавная м'яз плеча, підтягуючи дальній кінець передпліччя, до якого прикріплено сухожилля, ближче до плеча. Внутрішньом'язове тиск при цьому майже не змінюється, а м'яз сильно змінюється в формі і розмірі. Такий режим скорочення м'яза називається фізіологічним (від лат. «З» - постійний, однаковий; тонус - тиск).

Зовсім інакше працює м'яз при статичному навантаженні. Якщо утримувати на долоні витягнутої руки вантаж, то буде скорочуватися та ж двоголовий м'яз плеча, але при цьому се Дій на нс зміниться (інакше б передпліччя, кисть і вантаж почали переміщатися), а внутрішньом'язове тиск сильно зросте. Такий режим скорочення м'яза називається изометрическим ( «мстрос» - розмір, довжина). У ряді випадків м'язи працюють в змішаному режимі, одночасно скорочуючи і розвиваючи значну внутрішньом'язове тиск. Такий змішаний режим роботи м'язи називається плеометріческім (від «Плео» - повний, численний).

Для організму важливий нс тільки обсяг роботи, але і інтенсивність, з якою вона виробляється. У тих випадках, коли робота може бути точно виміряна, показником інтенсивності є потужність, тобто кількість роботи, виконуваної в одиницю часу.

Зони потужності. Потужність (інтенсивність) здійснюється людиною м'язової роботи ніколи не дорівнює нулю, так як навіть лежачи, в повному спокої, людина безперервно здійснює роботу, пов'язану з підтриманням пози, у нього скорочуються дихальні м'язи, багато дрібні м'язи. Однак потужність м'язової роботи не може збільшуватися безмежно: у кожної людини є певний максимальний рівень інтенсивності, перевищити який людина не може (як неможливо, наприклад, зрушити за рахунок мускульної сили стіну цегляного будинку або багатотонну брилу). Діапазон між мінімальним і максимальним рівнем інтенсивності м'язової роботи називається функціональним діапазоном скелетних м'язів. Цей функціональний діапазон не є однорідним і складається з окремих зон потужності. Чим вище потужність роботи, тим менше час, протягом якого ця потужність може підтримуватися. У зоні помірної потужності робота може тривати від кількох годин до півгодини. У зоні великої потужності тривалість роботи не перевищує 30 хв. У зоні субмаксимальної потужності тривалість роботи коливається від 3 хв до 30 с. У зоні максимальної потужності час роботи може бути 30 з або менше.

Для кожної із зон потужності характерні свої, специфічні особливості енергетичного та вегетативного забезпечення м'язової роботи. Так, в зоні помірної потужності робота забезпечується майже виключно аеробними механізмами, в скороченнях беруть участь головним чином «повільні» рухові одиниці, що входять до їх складу м'язові волокна отримують енергію завдяки окисленню вуглеводів і жирів в мітохондріях, тому тут вкрай важлива безперебійна доставка достатньої кількості кисню . У зоні максимальної потужності працюють в основному волокна типу ПА, які мають велику потужність і великим запасом креатинфосфату. У зоні субмаксимальної потужності переважно активовані волокна типу ПВ, для яких головним джерелом енергії є гліколіз. Вони не залежать безпосередньо від поставки кисню, але в процесі роботи виробляють велику кількість молочної кислоти, яку необхідно видалити, щоб не сталося закислення внутрішнього середовища організму. Це завдання вирішується в організмі за рахунок активації окислювальних процесів у печінці, що не скорочуються м'язах і деяких інших органах. Зона великої потужності характеризується змішаним енергозабезпеченням, тобто спільним функціонуванням аеробного і анаеробних-гликолитического джерел енергії. Робота в цій зоні забезпечується скороченням волокон обох типів.

Структура зон потужності визначається об'єктивними законами скорочення м'язів, а також залежить від індивідуальних, статевих, вікових особливостей. Так, в період від 7 до 17 років відносна ширина зон потужності і їх співвідношення між собою значно змінюється (рис. 38). З віком розширюється весь функціональний діапазон, особливо за рахунок збільшення зон великий, субмаксимальної і максимальної потужності. Про фізіологічних причинах цих вікових змін буде сказано нижче.

Економічність м'язової роботи. Відповідно до закону збереження енергії, для того щоб виконати будь-яку роботу, необхідно затратити пропорційну кількість енергії. При цьому витрати енергії завжди значно більше, ніж обсяг виконаної роботи. Ставлення виконаної роботи до витраченої енергії називається коефіцієнтом корисної дії і виражається у відсотках.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) характеризує економічність м'язової роботи і дуже суттєво варіює залежно від виду і умов діяльності (табл.12). Для порівняння тут же наведені ККД деяких технічних пристроїв, створених людиною за останні 200 років.

Слід мати на увазі, що ККД системи є твір приватних ККД всіх елементів системи. ККД організму при м'язовій роботі є твір наступних приватних ККД:

1) ККД м'язового скорочення - 80%;

2) ККД ресинтезу макроергів - 90%;

3) ККД транспортних систем організму - 60%;

4) ККД біомеханічних структур організму - 80%.

Таблиця 12

ККД різних рушіїв і скелетних м'язів людини в різних умовах діяльності

рушій

Вид діяльності (рол роботи), технічний засіб

ККД,

%

Парова машина

Паровоз, паровий молот і т.п.

5-8

Д і і ГАТС л ь в і гутрсі шего згоряння

Автомобіль, поршневий літак

20-25

Дизельний двигун

Автомобіль, моторне судно, трактор

35-40

Ядерна енергетична установка

Судновий енергоблок; АЕС

30

Рса кти ні и й дв і га ті л ь

Реактивний літак, ракета

15-20

Еле ктродві гатсл ь

Електричні приводи машин і механізмів

70-80

Скелетні м'язи людини

Швидкісний біг, підйом штанги, стрибок

10-12

Біг на середні дистанції, гра в хокей, великий теніс

12-15

Біг на довгі дистанції, лижні гонки, велосипед (шосе) Марафонський біг, прогулянка

18-20 25-30

Інтенсивність навантаження, при якій відзначається найвищий ККД м'язової роботи характеризує зону економічних режимів м'язової діяльності. Ця зона розташована між зонами помірної і великої потужності. Робота такої інтенсивності найбільш сприятлива для підтримки функціональних можливостей людини, але її тренувальний ефект невеликий: вона оптимальна для розминки і відновлювальних вправ після напруженої фізичної навантаження.

Будь-яка нормальна людина в природних умовах довільної діяльності вибирає таку інтенсивність рухів, яка відповідає зоні економічних режимів (принцип енергетичного оптимуму Ньюбар-Контіні). Це правило справедливо для здорових людей у ​​віці від 6 до 70 років. Однак з роками у людини змінюється інтенсивність, що відповідає зоні економічних режимів. Тому при проведенні фізкультурних занять в змішаних вікових групах (наприклад, в умовах туристичних походів, масових забігів і т.п.) не завжди вдається вибрати такий темп рухів, яка була б однаково оптимальний для маленьких і великих. Це необхідно враховувати.

Енергетичне і вегетативне забезпечення м'язової роботи

Витрати енергії при м'язовій діяльності можуть бути враховані і виміряні достатньо повно. Енергетичні витрати залежать від інтенсивності і обсягу навантаження. Сумарні енерговитрати складаються з неодмінних енергетичних витрат на підтримку життєдіяльності організму; енергетичних витрат па забезпечення скорочення виконують роботу скелетних м'язів; додаткових енергетичних витрат на посилену роботу серцево-судинної, дихальної та інших систем при м'язової діяльності; постійних енергетичних витрат на підтримку пози; наростаючих енергетичних витрат на нормалізацію внутрішнього середовища організму, що змінюється під впливом м'язового навантаження.

Тільки в окремих випадках вдається кількісно оцінити кожен з цих компонентів енерговитрат. Головний сенс змін діяльності всіх фізіологічних систем при м'язовій роботі - забезпечення необхідного рівня енергетичних витрат в кожному з перерахованих компонентів.

Вегетативні системи. Фізіологічні системи організму, що забезпечують його нормальну життєдіяльність в умовах спокою і м'язової діяльності, називаються вегетативними. До них відносяться дихання, кровообіг, травлення, виділення і т.п. При м'язовій роботі активність всіх вегетативних систем змінюється таким чином, щоб створити найкращі умови постачання працюючих м'язів енергією, а також звести до мінімуму ті негативні зрушення у внутрішньому середовищі організму, які виникають внаслідок інтенсивних обмін

пих процесів в м'язах. Відповідність активності вегетативних систем потребам організму забезпечується за рахунок нервової і гуморальної регуляції.

Реакція вегетативних систем на навантаження. Якщо навантаження на м'язи поступово збільшується, тобто росте потужність зовнішньої механічної роботи, то відповідно збільшуються споживання кисню, швидкість кровотоку, вентиляція легенів і т.п. Більшість показників діяльності вегетативних систем організму лінійно залежить від потужності навантаження, т. Е. Збільшення потужності па деяку конкретну величину призводить до відповідного, завжди однаковому, збільшення таких показників, як, наприклад, споживання кисню, частота пульсу і ін. (Рис. 39) . Однак це справедливо лише в тому випадку, якщо такі вимірювання проводяться при роботі в стійкому стані, тобто не менше ніж через 2-3 хв після початку навантаження або її чергового підвищення. Ці 2-3 хв необхідні організму для того, щоб відрегулювати рівень активності вегетативних функцій відповідно до енергетичним запасом скелетних минш.

Лінійна залежність між величиною навантаження і показниками діяльності фізіологічних систем організму дозволяє оцінювати інтенсивність навантаження за величиною частоти пульсу або споживання кисню, коли суворе вимірювання потужності роботи неможливо. І навпаки, знаючи величину навантаження, можна прогнозувати рівень активності тієї чи іншої фізіологічної системи. На цьому заснована, зокрема, методика вимірювання «фізичної працездатності при пульсі 170 уд / хв» (скорочено - ФРіто> або PWC | 7 () - за першими літерами англійських слів «фізична», «робота», «здатність»). Ця методика така: випробуваний виконує по черзі два різних по навантаженню завдання і обидва рази у нього вимірюють частоту пульсу в стійкому стані, тобто не раніше, ніж через 3 хв після початку роботи. Отримані величини відзначають на графіку точками, а потім проводять через них пряму і знаходять точку її перетину з прямою, що відбиває рівень частоти пульсу 170 уд / хв. Опустивши з точки перетину перпендикуляр на вісь абсцис з нанесеними

PWCno на ній величинами мощнос-

ти навантаження (рис. 40), отримують результат, виражений в одиницях потужності. Це і буде значенням PWC | 70. Замість графічного можна використовувати спосіб розрахунку PWC | 7n за формулою, заснованої на рівнянні прямої. Відповідно до рекомендацій Всесвітньої організації охорони здоров'я, тест Р \ УС] 7 || Лі6о його аналог (PWC15 (,, PWC130 і т.п.) проводиться у всіх випадках, коли необхідно визначити фізичні кондиції людини і охарактеризувати його фізичне здоров'я.

Для дітей і підлітків шкільного віку визначення PWC170 може бути дещо спрощено за рахунок того, що замість двох навантажень допустимо ставити лише одну, але обов'язково, щоб частота пульсу при цьому досягала 140 уд / хв або більше. Тоді другою точкою на графіку можна відзначати значення пульсу спокою. У дошкільнят молодше 6 років коректне вимірювання величини PWC | 7i, неможливо, оскільки вони не можуть підтримувати стійкий стан активності своїх вегетативних функцій.

Вимірювання PWC | 7o - простий і ефективний спосіб оцінки функціональних можливостей організму при роботі в зонах помірної і великої потужності, в яких і здійснюється головним чином життєдіяльність організму. Хоча вимірюваноївеличиною в цьому тесті є частота пульсу, оцінюються в комплексі всі складові киснево-транспортної системи організму. Відхилення від норми в будь-який з найважливіших систем - кровообігу, дихання, рухового апарату - відразу ж виявляться в значно більш низьких показниках PWC17 (). Навпаки, майже будь-який вил тренованості призводить до істотного збільшення PWC, 70.

Нелінійні залежності. Лінійна залежність показників активності вегетативних систем організму від потужності має місце тільки в діапазоні навантажень, де енергетичне забезпечення безпосередньо пов'язано з доставкою кисню до працюючих м'язів, тобто в «аеробному» діапазоні (зони помірної і великої потужності). Якщо ж задана навантаження лежить в зоні субмаксимальної або максимальної потужності, то лінійної залежності між показниками роботи фізіологічних функцій і рівнем навантаження не спостерігається (рис. 41). У більшості випадків показники деяте.чьності вегетативних систем ростуть у міру підвищення потужності навантаження до певної межі, після якого їх збільшення припиняється, а якщо потужність продовжує зростати, то можливо навіть зниження цих показників. Такий рівень активності вегетативної функції, який може бути досягнутий при самій інтенсивній роботі в аеробних умовах, називається максимальним. Якщо функція досягла свого максимального рівня, то подальше збільшення потужності навантаження може привести тільки до зниження показника.

Деякі показники активності вегетативних функцій в природних умовах м'язової діяльності не можуть досягти свого максимального рівня. Так, максимальна вентиляція легенів можлива тільки при довільному найбільш частому і глибокому диханні. Інші функції, такі як частота пульсу, об'ємна швидкість кровотоку і споживання кисню, можуть досягти максимуму тільки в умовах м'язової діяльності. Максимальні рівні частоти пульсу і споживання кисню зазвичай досягаються при однаковому навантаженні. Потужність такого навантаження.

при якій частота пульсу і споживання кисню досягають максимального рівня, називають критичною. Навантаження критичної потужності дуже трудомісткі і не можуть тривати довго (зазвичай не більше 3-5 хв).

Аеробна продуктивність і аеробний діапазон. Величина максимального споживання кисню (МПК) - один з головних показників в фізіології м'язової діяльності. Фізіологічний сенс величини МПК полягає в тому, що вона відображає сумарну пропускну здатність всіх механізмів транспорту кисню, починаючи від транспорту газів в легенях і закінчуючи транспортом електронів в мітохондріях скелетпо-мишеч-них волокон. При цьому, оскільки швидкість поглинання кисню пропорційна потужності роботи, яка може за рахунок цією виконуватися, величину МПК називають ще «аеробного продуктивністю» організму.

Діапазон навантажень від стану спокою до критичної потужності, при якій досягається МПК, називають «аеробних діапазоном». Хоча більша частина потреби організму в енергії при навантаженнях в аеробному діапазоні дійсно покривається за рахунок використання кисню, безкисневі (анаеробні) джерела також обов'язково беруть участь в енергозабезпеченні м'язової роботи, по крайней мерс в період впрацьовування.

Підтримання гомеостазу при м'язової навантаженні. Зміни внутрішнього середовища, що відбуваються під час м'язової роботи, вимагають напруги механізмів гомеостазу. Оскільки при навантаженні обмінні процеси прискорюються під мною раз, у стільки ж разів більше утворюється різноманітних продуктів, що підлягають видаленню з організму, а також метаболічної води. Одночасно різко збільшується температура тіла, оскільки вся енергія, яка звільнилася в клітинах і не перетворена в механічну роботу, перетворюється в тепло, і це тепло нагріває організм. З огляду на, що в режимі МПК людина виробляє близько 1200- 1500 Вт енергії, і лише 1/5 її частина реалізується у вигляді механічної роботи, можна собі уявити, як швидко нагрівся б організм, якби не працювали системи терморегуляції.

Фізіологічна «вартість» фізичної роботи. Фізична робота, яку виконує людина, аж ніяк не ідентична тій механічної роботі, яка оцінюється за допомогою ергомет-рических методів. Ні інтенсивність, ні обсяг зовнішньої механічної роботи, яку може виконати людина, самі по собі нічого не говорять про ту фізіологічної «ціною», яку платить організм при фізичному навантаженні. Під «фізіологічною ціною» навантаження ми розуміємо ту додаткову роботу, яку змушені виконувати системи організму (в тому числі в відновлювальному періоді) для компенсації витрат на підтримання гомеостазу. Для її оцінки можна використовувати деякі показники серцевої діяльності і споживання кисню, зареєстровані під час роботи і н відновлювальному періоді.

Вікові етапи становлення енергетики м'язової діяльності. Перший рік життя дитини є періодом бурхливого становлення м'язової функції і, зрозуміло, її енергетичного і вегетативного забезпечення. Цей етап триває до віку 3 років, після чого перетворення в м'язах гальмуються, і наступний етап починається разом з напівростового стрибком приблизно в 5 років. Найважливішою подією тут є поява вже близьких до дорослого варіанту типів м'язових волокон, хоча їх співвідношення ще є «дитячим», та й функціональні можливості вегетативних систем ще не настільки великими. У шкільному віці дитина проходить ще цілий ряд етапів, тільки на останньому з них досягаючи «дорослого» рівня регуляції, функціональних можливостей і енергетики скелетних м'язів:

1-й етап - вік від 7 до 9 років - період поступального розвитку всіх механізмів енергетичного забезпечення з перевагою аеробних систем;

2-й етап - вік 9-10 років - період «розквіту» аеробних можливостей, роль анаеробних механізмів мала;

3-й етап - період від 10 до 12-13 років - відсутність збільшення аеробних можливостей, помірне збільшення анаеробних можливостей, розвиток фосфагенная і анаеробно-глполітіческого механізмів протікає синхронно;

4-й етап - вік від 13 до 14 років - істотне збільшення аеробних можливостей, гальмування розвитку анаеробних-Глік-литического механізму енергозабезпечення; фосфагенная механізм розвивається паралельно зі збільшенням маси тіла;

5-й етап - вік 14-15 років - припинення збільшення аеробних можливостей, різке збільшення ємності анаеробно-Глік-литического процесу, розвиток фосфагенная механізму, як і раніше, паралельно зі збільшенням маси тіла;

6-й етап - період від 15 до 17 років - аеробні можливості зростають пропорційно масі тіла, продовжують швидко зростати анаеробпо-гликолитические можливості, значно прискорюється розвиток механізмів фосфагенпой енергопродукції, завершується формування дефінітивної структури енергозабезпечення м'язової діяльності.

На процеси дозрівання енергетичних і вегетативних систем величезний вплив справляє статеве дозрівання, так як статеві гормони безпосередньо впливають на метаболічні можливості скелетних м'язів. Аеробне енергозабезпечення, що досягає розквіту ще до початку пубертату, на перших його стадіях навіть кілька погіршується, проте до віку 14 років відзначається новий зростання можливостей аеробних систем енергообеспечснія. Це пов'язано, зокрема, з внутрішніми потребами м'язів, яким для останнього етапу дифференцировок потрібні потужні окислювальні системи. Анаеробне енергозабезпечення різко активується вже на початкових стадіях статевого дозрівання, потім (III стадія) темп його вдосконалення сповільнюється, а після досягнення IV стадії статевого дозрівання (15-16 років у хлопчиків, 13-14 років у дівчаток) спостерігається бурхливий ріст анаеробних можливостей, особливо у юнаків. Дівчата в цей період вже сильно відрізняються від юнаків за характером і рівнем розвитку м'язової енергетики.

Запитання і завдання

1. Розкажіть про м'язових волокнах і їх онтогенезі.

2. Яка динаміка росту м'язів?

3. Розкажіть про види м'язової роботи. Що таке зони потужності?

4. Перерахуйте функції вегетативних систем. Яка їхня роль в забезпеченні м'язової роботи?

5. Які етапи становлення енергетики м'язової діяльності ви знаєте?

57