Физиология спорта: как работают мышцы, сердце и легкие при тренировках
Где наше тело берет энергию, как сжигается жир и зачем нужно делать растяжку, чтобы стать сильнее
Когда мы двигаемся, работает все наше тело. Мышцы обеспечивают движение, сердце гоняет кровь по сосудам, легкие дают кислород органам. От слаженной работы всех этих систем зависит то, насколько экстремальные нагрузки сможет вынести человек. ПостНаука вместе с врачом Иваном Лепетинским разобралась, какие биохимические реакции дают нам энергию для движения, сколько кислорода нужно работающим мышцам и зачем им расти, и почему, когда мы занимаемся спортом, сердце начинает биться быстрее — объясняем все это простыми словами.
Проект «Наука здоровой жизни» — это онлайн-путеводитель по медицине, питанию и спорту, в котором мы делимся достоверной и актуальной информацией о здоровом образе жизни. Проект создан с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов.
Мышцы и энергия
Для выполнения любой работы организму человека нужна энергия, которая в конечном счете тратится на проведение различных биохимических реакций: именно к ним сводятся любые процессы в организме — от сокращения мышц до работы нервных клеток. Универсальным источником энергии выступает молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая в результате ряда химических реакций высвобождает нужную энергию — однако АТФ не подходит для того, чтобы запасать энергию на долгое время, поэтому собственно АТФ в клетках содержится мало. Если интенсивность работы клетки повышается, она должна генерировать АТФ при помощи других химических соединений, чтобы сразу же тратить ее на обеспечение нужных процессов. Для этого клетке доступно четыре вида реакций, из которых для двух нужен кислород (аэробное дыхание), а еще для двух — не нужен (анаэробное дыхание):
• продукция АТФ из креатинфосфата происходит без участия кислорода;
• продукция АТФ из жирных кислот происходит с участием кислорода;
• продукция АТФ из глюкозы может происходить без участия кислорода (тогда образуется молочная кислота) и с участием кислорода — в зависимости от его доступности.
Чтобы разобраться в общих принципах энергообмена в клетках, нам не очень важно, как именно протекают эти реакции; самое главное то, что клетки человека — для нас важны в первую очередь мышечные клетки — могут использовать разные способы получения АТФ в зависимости от того, какие ресурсы им доступны и хватает ли им кислорода. Если его недостаточно — это может случиться либо в начале физической активности, когда сердечно-сосудистая и дыхательные системы не успели адаптироваться к работе, либо когда интенсивность тренировки слишком большая, и клеткам нужно производить и тратить больше АТФ, чем позволяет
аэробный обмен — клетки временно переходят в
анаэробный режим работы. Таким образом, организм не переключается между этими двумя режимами работы, а скорее использует анаэробные реакции в дополнение к аэробным: иными словами, восприятие силовых тренировок как исключительно «анаэробных», а кардионагрузок — как исключительно «аэробных» не вполне корректно.
При резком начале работы в мышцы не успевает поступать достаточное количество кислорода из крови, поэтому клетки сначала используют запасенный в организме кислород — содержащийся, например, в миоглобине в мышцах — а затем, если его все еще недостаточно, переходят в анаэробный режим работы: возникает
кислородная задолженность. Эту задолженность организм восполняет и после тренировки: когда вы уже прекратили физическую активность, ваше дыхание некоторое время все равно остается учащенным. Это нужно, чтобы восполнить запасы кислорода и завершить некоторые процессы — например, расщепить молочную кислоту, которая создает жжение в мышцах, если вы не успели это сделать раньше. Когда запасы кислорода в тканях восстановятся, потребление кислорода в покое вернется к нормальному уровню.
Скелетные мышцы
В организме человека можно выделить три типа мышц: прикрепленные к костям скелетные мышцы, которые обеспечивают локомоцию; сердечную мышцу (миокард), которая обеспечивает движение крови по сердцу и сосудам; и гладкие мышцы, которые расположены в стенках различных органов тела — например, в стенках кишечника — и помогают передвигать их содержимое.
Скелетные мышцы прикреплены к костям при помощи сухожилий как минимум в двух местах — на неподвижной части скелета и подвижной его части, — то есть на тех костях, которые эта мышца сближает или отдаляет друг от друга. Чтобы понять, как это работает, опустите правую руку вниз и согните ее в локте: в этом случае ваше плечо будет неподвижно, а предплечье подтянется к нему. Но если вы теперь поднимете руку в сторону и одновременно начнете сгибать локоть, то и плечо, и предплечье будут в движении: где же здесь неподвижная часть скелета? На самом деле это движение просто состоит из двух разных, и если разбить его на составляющие, все станет понятно: отдельно движется предплечье относительно плеча, а отдельно плечо вместе с ним — относительно лопатки. Такие сложные взаимодействия костей-рычагов обеспечивают все наши движения — от прыжков и махов, когда мы отбиваем мяч в волейболе, до быстрых, точных движений пальцев, которые позволяют добиться «жемчужного» звука в сложных пассажах на фортепиано.
Кость человека состоит из нескольких типов тканей. Внешний слой костной ткани образует компактное вещество, а внутренний — губчатое вещество: они отличаются друг от друга по структуре и плотности. Компактное вещество состоит из систем вставленных друг в друга маленьких трубочек и обеспечивает основную прочность кости, а губчатое вещество образовано множеством маленьких пластинок и перегородок, которые и дают ему сходство с губкой: по сравнению к компактным веществом оно более легкое и хрупкое. Снаружи кость окружена плотной соединительной тканью — надкостницей: именно к ней крепятся мышцы. В небольших полостях внутри костной ткани находятся живые костные клетки — остеобласты, которые синтезируют костную ткань, и остеокласты, которые ее разрушают. Во время сильных нагрузок в костной ткани могут образоваться микроповреждения, и тогда остеокласты разрушают поврежденную ткань, а остеобласты синтезируют на этом месте новую — уже без повреждений. Именно поэтому силовые упражнения укрепляют не только мышцы, но и кости.
Суставы образуются в местах соединения костей и могут обладать разной степенью подвижности. Те части костей, которые образуют сочленения, покрыты гладким хрящом, который служит амортизатором при ударах (например, во время бега) и уменьшает трение между костями. Эта область со всех сторон окружена связками, которые образуют суставную сумку: связки удерживают кости на месте и обеспечивают подвижность сустава в нужных направлениях. Содержащаяся в суставной сумке жидкость дополнительно уменьшает трение и служит смазкой. Хотя в суставных хрящах есть живые клетки, которые могут восстанавливать поврежденную ткань — хондробласты, — они работают не так быстро и эффективно, как клетки костной ткани. Отчасти это связано с тем, что к хрящам не подходят кровеносные сосуды, поэтому питательные вещества и кислород попадают в них только путем диффузии из окружающих мышц и костей [
1]. Следовательно, чтобы поддерживать суставы как можно более здоровыми, необходимо обеспечивать хороший приток крови к окружающим их тканям — иными словами, больше двигаться и тренировать все основные группы мышц.
Вернемся к нашему примеру со сгибанием локтя: за это движение отвечает в первую очередь двуглавая мышца плеча — бицепс. Как он устроен и за счет чего сокращается? Каждая скелетная мышца состоит из пучков мышечных волокон: в диаметре каждая из них может достигать размеров от 20 до 100 μm, а в длину — несколько сантиметров. Сами клетки мышечной ткани наряду с прочими органеллами содержат множество клеточных ядер, митохондрии для генерации энергии, саркоплазматический ретикулум, который помогает передавать сигналы из нервной системы, и миофибриллы, которые, собственно, и позволяют мышце сокращаться. Мышечные волокна окружены разными видами соединительной ткани, которая удерживает волокна на месте и подводит к ним кровеносные сосуды: эндомизий прослаивает отдельные мышечные волокна, перимизий окружает небольшие пучки мышечных волокон, а эпимизий, наиболее плотный, окружает всю мышцу снаружи.
Процесс сокращения мышцы описывает
теория скользящих нитей. Каждая миофибрилла состоит из саркомеров [
2], образованных в первую очередь двумя типами белковых миофиламентов — толстыми миозиновыми нитями и тонкими актиновыми нитями. В расслабленной мышце миозин располагается по центру саркомера, а актин — по его краям, немного заходя на миозин, но когда мышце нужно сократиться, актиновые нити начинают подтягиваться к центру, и в итоге весь саркомер становится короче, хотя длина самих нитей остается неизменной. Именно так сокращался ваш бицепс, когда вы сгибали руку в локте, а вместе с ним сокращался еще ряд мышц: каждое движение чаще всего обеспечивает не одна мышца, а несколько. Основная мышца, выполняющая движение, называется агонистом, а дополнительные, которые ей помогают — синергистами.
Итак, вы согнули руку в локте и теперь хотите ее разогнуть: как это сделать? Здесь бицепс вам уже не поможет: саркомеры могут только укорачиваться, а вот произвольно растягиваться они не могут. Иными словами, если бы у вас на руке был только бицепс, вы бы могли только согнуть руку, а вот медленно разогнуть ее бы уже не получилось — только расслабить всю мышцу целиком. Чтобы выполнить любое движение и затем вернуть кость в исходное положение, вам нужны по меньшей мере две мышцы (или группы мышц), то есть мышцы-антагонисты: одна будет выполнять движение, а другая отменять его. Например, у бицепса антагонистом выступает трицепс — трехглавая мышца, которая отводит предплечье от плеча. Когда вы выполняете определенные движения, мышца-агонист и ее синергисты сокращаются, а антагонисты расслабляются: именно поэтому неэластичные, спазмированные мышцы ограничивают амплитуду движений. Попробуйте соединить ладони за спиной, подняв правый локоть вверх, а левый вниз: может быть так, что мышца-агонист и синергисты еще могут сократиться, чтобы подтянуть ладони ближе друг к другу, а вот антагонисты — например, тот же трицепс или широчайшая мышца спины — не могут расслабиться достаточно, чтобы позволить синергистам выполнить это сокращение, так что движение прекращается, и соединить ладони не получается. Разные мышцы обладают разной эластичностью в зависимости от того, как часто и сильно им приходится растягиваться, так что попробуйте заодно поменять руки и сцепить ладони за спиной, подняв вверх не правый, а левый локоть: результат может оказаться совсем другим.
Во время растяжки саркомеры постепенно удлиняются, то есть актиновые нити в них расходятся в стороны. Длина мышцы во время растяжки зависит от того, сколько мышечных волокон растянулось, а сколько еще находится в состоянии покоя, а максимальная достигается, когда все саркомеры в мышце удлинились до предела. Если при максимальной длине мышцы вы продолжите растяжку, то основная нагрузка придется на соединительные ткани в мышце и на сухожилия, которые растягиваются плохо, и тогда возрастет риск травмы.
Без растяжки теряется не только подвижность мышц, но отчасти и мышечная сила. Когда вы растягиваете мышцу, вытянутые саркомеры, которые могли сместиться при интенсивном сокращении, «подравниваются» и встают параллельно друг другу, и когда в следующий раз вы будете выполнять силовые упражнения, мышечные волокна будут сокращаться в точности в одном направлении, а значит, более эффективно.
Линейный вид
