II. Основные факторы, определяющие выносливость
Выносливость – комплексное физическое качество, проявление которого зависит от большого числа морфологических, биохимических, физиологических, биомеханических, психологических и педагогических факторов. Рассмотрим наиболее важные из них.
1. Состав мышц. Одним из важнейших факторов, определяющих выносливость человека, является состав (композиция) мышц. Каждая скелетная мышца человека состоит из мышечных волокон разного типа. Различают быстрые и медленные мышечные волокна. Они отличаются друг от друга размерами, цветом и свойствами.
Медленные мышечные волокна (тип I) небольшие по размерам и содержат мало сократительных элементов (миофибрилл), но много миоглобина, поэтому имеют темно-красную окраску. Их часто называют красными. Медленные мышечные волокна развивают небольшое усилие при сокращении, скорость их сокращения низкая. Они имеют обильное кровоснабжение, и утомление при физической работе развивается медленно. При работе медленные мышечные волокна используют аэробные механизмы энергообеспечения и, помимо остальных энергетических субстратов, могут использовать молочную кислоту как источник энергии, окисляя ее до углекислого газа и воды.
Быстрые мышечные волокна (тип II) более крупные и содержат большее количество сократительных элементов и относительно мало миоглобина, поэтому имеют светлую окраску (бледно-розовую). Их называют белыми. Быстрые мышечные волокна развивают большое усилие при сокращении, скорость их сокращения очень высокая, однако в таких волокнах быстро развивается утомление. Быстрые мышечные волокна не могут использовать молочную кислоту как источник энергии. Наоборот, они сами являются источником образования молочной кислоты.
Среди быстрых мышечных волокон выделяют два подтипа: окислительно-гликолитические и гликолитические. Гликолитические быстрые мышечные волокна (подтип II-В) способны к мощной и кратковременной работе. Однако уже через 20–25 с скоростной работы они утрачивают высокую работоспособность. Окислительно-гликолитические быстрые мышечные волокна (подтип II-А) уступают им по силе и скорости сокращения, но могут работать намного больше, используя как аэробные, так и анаэробные механизмы энергообеспечения.
Следовательно, для проявления выносливости при длительной работе необходимо большее число медленных мышечных волокон (тип I). В частности, в мышцах выдающихся стайеров обнаружено до 80 % медленных мышечных волокон. Для проявления выносливости на средних дистанциях желательно иметь большое количество быстрых окислительно-гликолитических мышечных волокон (подтип II-А), а для достижения высоких результатов в спринтерских дисциплинах необходимо соответствующее количество быстрых гликолитических мышечных волокон (подтип II-В). В мышцах выдающихся спринтеров отмечается до 80 % быстрых мышечных волокон.
Характерно, что соотношение волокон разного типа в мышцах определяется наследственными факторами, не зависит от пола и не поддается изменению в процессе спортивной тренировки. С возрастом количество быстрых мышечных волокон постепенно уменьшается. Появившиеся методы «генетического» воздействия на мышечную ткань не меняют тип мышечных волокон, они влияют только на сократительные элементы внутри каждого мышечного волокна.
2. Механизмы обеспечения мышечной работы энергией. Другим важнейшим фактором, определяющим выносливость, является мощность и емкость систем, обеспечивающих энергией мышечную работу.
Единственным источником для мышечных сокращений является АТФ. Её запасов в мышцах хватит всего лишь на 1–2 с интенсивной работы. Однако в мышцах, наряду с распадом АТФ, происходит ее обратный синтез (ресинтез). Ресинтез АТФ в мышцах осуществляется с помощью трех механизмов (энергетических систем):
– фосфагенной (креатинфосфатной);
– гликолитической (лактацидной);
– окислительной (кислородной).
Первые две системы – фосфагенная и гликолитическая – работают по анаэробному пути, третья (окислительная) – по аэробному. Мощность энергетических систем определяется максимальным количеством энергии (молекул АТФ), которое может синтезироваться в единицу времени. Емкость энергетических систем определяется максимальным количеством энергии (молекул АТФ), которое может синтезироваться за все время работы.
Фосфагенная энергетическая система. Известно, что ресинтез АТФ происходит в протоплазме мышечных клеток в непосредственной близи от сократительных волокон (миофибрилл) за счет другого высокоэнергетического соединения – креатинфосфата (КрФ). Конечными продуктами расщепления КрФ являются креатин и свободный фосфат. Данные вещества не снижают работоспособность мышц. Молочная кислота не образуется, поэтому такой механизм называют анаэробно-алактатным (без кислорода и образования молочной кислоты).
Фосфагенная энергетическая система обладает наибольшей мощностью по сравнению с другими системами. Емкость фосфагенной системы невелика, так как запасы АТФ и КрФ в мышцах весьма ограничены. Поэтому фосфагенная система играет решающую роль в энергообеспечении кратковременной работы, осуществляемой с максимально возможными по силе и скорости сокращениями мышц.
Полное восстановление запасов КрФ в мышцах происходит после окончания работы. Для этого требуется 2–5 л кислорода и несколько минут времени (не более 10).
Гликолитическая энергетическая система. В основе функционирования этой системы, обеспечивающей ресинтез АТФ и КрФ, лежит цепь биохимических реакций анаэробного расщепления углеводов, главным образом гликогена, запасенного в мышцах. В результате таких реакций образуются недоокисленные продукты, главным из которых является молочная кислота. Совокупность этих реакций называется гликолизом. Молочная кислота негативно влияет на работоспособность мышц. Такой механизм называют анаэробно-лактатным (без кислорода, но с образованием молочной кислоты).
Мощность гликолитической энергетической системы в три раза уступает мощности фосфагенной системы, однако ее емкость в 2–2,5 раза выше, чем емкость последней.
Гликолиз начинается в первые секунды работы, но своего максимума достигает лишь через 30–40 с. Гликолитическая энергетическая система является ведущей при выполнении интенсивной мышечной работы продолжительностью от 20 с до 5 мин.
Полная нейтрализация всей молочной кислоты происходит после окончания работы. Для этого требуется 10–15 л кислорода и до 3 ч времени.
Кислородная энергетическая система. При непрерывном поступлении кислорода в митохондриях мышечных волокон действует кислородная энергетическая система. Для ресинтеза АТФ и КрФ в данном случае используются гликоген, глюкоза и свободные жирные кислоты. В мышечных волокнах имеются небольшие запасы кислорода, связанного с миоглобином. Поэтому для обеспечения работы данной энергетической системы необходимо бесперебойное поступление кислорода в мышечные волокна из крови. Конечными продуктами данной системы являются углекислый газ и вода.
Поступление кислорода в мышечные волокна обеспечивает своеобразный «кислородный конвейер», состоящий из дыхательной и сердечно-сосудистой систем, а также самой крови (рис. 1). Поэтому на эффективность работы кислородной энергетической системы влияют не только запасы энергетических субстратов (углеводов и жиров), но и качество работы многих систем организма. Для оценки работы «кислородного конвейера» чаще всего учитывают величину МПК и способность организма удерживать длительное время потребление кислорода на высоком уровне.
Рис. 1. Схема «кислородного конвейера»
Мощность кислородной энергетической системы уступает мощности фосфагенной системы в 4 раза при окислении углеводов и в 8 раз – при окислении жиров. Емкость кислородной энергетической системы превышает емкость фосфагенной системы в 150–160 раз при окислении углеводов и в 10 000–12 000 раз – при окислении жиров. Поэтому работоспособность мышечного аппарата может поддерживаться кислородной энергетической системой длительное время.
Соотношение трех систем энергообеспечения при мышечной работе показано на рисунке 2.
Рис. 2. Соотношение систем энергообеспечения при мышечной работе
Мощность и емкость энергетических систем повышаются при использовании соответствующих методов тренировки.
3. Кислородный долг. На продолжительность и эффективность физической работы может оказывать влияние наличие и скорость нарастания кислородного долга. Кислородный долг возникает в случае несоответствия кислородного запроса и фактического потребления кислорода во время физической работы.
Кислородный запрос – количество кислорода, необходимое для выполнения работы. В зависимости от мощности физической работы кислородный запрос может составлять от нескольких сот миллилитров до 40 л кислорода в пересчете на минуту. Потребление кислорода у наиболее тренированных спортсменов в зависимости от вида спорта колеблется в пределах от 3,5 до 6 л/мин у мужчин и от 2,5 до 4,5 л/мин у женщин. Только у отдельных выдающихся спортсменов МПК способно превышать эти цифры. Кроме того, потребление кислорода может достигнуть максимума через несколько минут после начала работы.
Все это приводит к тому, что при выполнении многих физических упражнений возникает кислородный долг. Этот долг вызывает дефицит кислорода в организме спортсмена, что негативно сказывается на работоспособности всех органов и отдельных клеток.
4. Устойчивость организма. Важнейшим фактором, определяющим выносливость, является устойчивость всех систем организма, и в первую очередь ЦНС, к неблагоприятным изменениям, возникающим во время физической работы. К числу подобных изменений можно отнести:
• сдвиг рН в кислую сторону (ацидоз). Даже небольшой сдвиг рН внутренней среды организма в кислую сторону затрудняет работу всех клеток, особенно нервных;
• дефицит кислорода и избыток углекислого газа, что затрудняет деятельность всех клеток;
• истощение энергетических ресурсов организма. Особенно опасно истощение запасов углеводов, так как нервные клетки использовать жиры в качестве источника энергии не могут;
• нарушение водно-солевого баланса, что затрудняет протекание процессов возбуждения в клетках;
• повышение температуры тела выше 40 °C неблагоприятно сказывается на работоспособности всех органов и может привести к потере сознания (тепловой удар).
5. Техника спортивных движений. Важным фактором, определяющим выносливость, является техника спортивных движений, что выражается в их эффективности и экономичности. Значение данного фактора велико, так как от эффективности и экономичности движений зависит количество энергии и кислорода, необходимых для выполнения мышечной работы, а также характер и глубина неблагоприятных изменений, возникающих во время физической работы.
Эффективность и экономичность движений регулируется центральной нервной системой (ЦНС). Для этого используются четыре механизма:
• регуляция числа активных мышечных волокон;
• регуляция режима их работы;
• синхронизация (временная связь) их работы;
• координация работы мышц-антагонистов и мышц-синергистов.
Эффективность регуляции активности мышечных волокон заключается в строгом соответствии числа работающих мышечных волокон величине усилия, развиваемого мышцей в каждой фазе движения. Иными словами, для обеспечения заданного усилия необходимо задействовать определенное количество мышечных волокон. Остальные волокна должны быть расслаблены. Кроме того, при длительной работе необходимо добиться подключения (рекрутирования) разных мышечных волокон.
Например, спортсмену необходимо длительное время выполнять мышечные усилия, равные 20 % от максимального. Для достижения высокой эффективности и экономичности движений требуется добиться, во-первых, вовлечения в работу только 20 % мышечных волокон данной мышцы (пятая часть) и, во-вторых, постоянного обновления работающих волокон. Идеальный вариант состоит в том, что каждое мышечное волокно является активным только при выполнении одного из пяти движений.
Большое значение имеет и режим работы мышечных волокон. Режим работы волокон определяется числом нервных импульсов, поступающих к мышце. Дело в том, что усилие, развиваемое мышцей, зависит от частоты нервных импульсов и достигает максимальной величины только при оптимальной частоте. Изменение частоты нервных импульсов в сторону увеличения или уменьшения приводит к снижению мышечного усилия.
Важно также, чтобы мышечные волокна сокращались синхронно (одновременно). В таком случае мышечное усилие будет наибольшим. Если мышечные волокна будут сокращаться асинхронно (через некоторые промежутки времени), то суммарная величина мышечного усилия снижается.
Рассмотренные выше три механизма регуляции работы мышечных волокон объединяются в понятие «внутримышечная координация». Важна также и межмышечная координация, т. е. взаимосвязанная работа мышц-антагонистов и мышц-синергистов.
Кроме того, эффективность и экономичность движений зависит от умения включать в структуру движений «не мышечные» факторы. Например, силу инерции движения и силу упругости, возникающую при деформации спортивного инвентаря.
Таким образом, эффективность спортивной техники следует оценивать не только по внешним проявлениям, но и характеру внутримышечной и межмышечной координации. Добиться эффективной и экономичной спортивной техники можно только в результате длительных и целенаправленных тренировок.
6. Эффективность работы системы терморегуляции. Еще один важный фактор, определяющий выносливость, – эффективность функционирования системы терморегуляции, необходимой для поддерживания в оптимальных пределах температуры тела. КПД работы мышц невысокий: в самых выгодных условиях не превышает 30–32 % (медленная ходьба). Это значит, что остальная часть энергии при работе мышц выделяется в виде тепла. Следовательно, при длительной работе в двигательном аппарате образуется большое количество тепла, которое с током крови разносится по всему организму. Температура тела повышается и может достигнуть опасных значений (вплоть до 42 °C). Для предотвращения повышения температуры тела при длительной работе до опасных значений должна сформироваться эффективная система терморегуляции.
Система терморегуляции объединяет механизмы теплообразования и теплоотдачи. При длительной работе главная роль принадлежит механизмам теплоотдачи. Отдача тепла в организме человека осуществляется за счет трех механизмов:
• проведение тепла при непосредственном контакте тела с одеждой, частицами воздуха или воды;
• излучение тепла в окружающее пространство за счет инфракрасного излучения;
• испарение влаги (пота) с поверхности тела.
При длительной работе в наземных условиях главная роль в теплоотдаче принадлежит потоотделению, при плавании – проведению тепла (потоотделение в воде практически полностью угнетается). Поэтому для совершенствования механизмов теплоотдачи целесообразно подбирать соответствующие упражнения и режимы работы, необходимый инвентарь и одежду, а также условия тренировки.
7. Психологические особенности. Утомление, связанное с длительным выполнением физических упражнений, приводит к изменениям не только в вегетативной и двигательной системах, но и психической сфере. Поэтому на проявление выносливости определенное влияние оказывает состояние психики спортсменов.
Длительность работы до снижения ее интенсивности и качества можно разделить на две фазы. Первая фаза – работа до появления чувства усталости, которое может свидетельствовать о наступлении состояния утомления. Вторая фаза – работа на фоне усталости за счет дополнительных волевых усилий, позволяющих какое-то время поддерживать заданные интенсивность или качество работы.
Соотношение этих фаз у разных людей различно: у лиц со слабой нервной системой первая фаза длиннее, чем вторая, у лиц с сильной нервной системой наоборот. Волевое напряжение, за счет которого сохраняются интенсивность и качество работы, является общим психическим компонентом для всех проявлений выносливости.
Проявление выносливости зависит также от мотивации спортсмена. Например, соревновательный мотив, особенно командный (групповой), значительно увеличивает проявление выносливости некоторых спортсменов.
Одной из серьезных проблем, с которой спортсмены постоянно встречаются на тренировочных занятиях, особенно при выполнении упражнений, связанных с развитием выносливости, является монотонность – однообразие тренировочных упражнений (монотония). В большей степени монотония характерна для тренировочной деятельности марафонцев, стайеров, лыжников, конькобежцев, пловцов, гребцов, штангистов, велосипедистов. К этому же приводит недостаточная эмоциональная насыщенность занятий, бедность впечатлений, получаемых спортсменом от тренировочных занятий. Поэтому при развитии выносливости важны устойчивость спортсмена к монотонии и разнообразие тренировочных заданий.
В итоге можно констатировать, что проявление выносливости при физической работе есть результат взаимодействия двух функциональных систем:
• системы, обеспечивающей высокую работоспособность двигательного аппарата – условно моторный потенциал;
• системы, обеспечивающей сохранение постоянства внутренней среды (гомеостаза) – условно адаптационный резерв.
Проявление выносливости зависит от эффективности взаимодействия различных систем организма (нервно-мышечного аппарата, кровообращения, дыхания, терморегуляции, выделения, пищеварения). Главная же роль в проявлении выносливости принадлежит ЦНС, деятельность которой определяет эффективность и экономичность движений, а также взаимодействие систем, снабжающих рабочие мышцы энергией и кислородом, и систем, обеспечивающих сохранение постоянства внутренней среды.
На наш взгляд, тренерам будет полезно знать, какие изменения возникают в различных органах при длительной и систематической тренировке, направленной на развитие выносливости. Специализированная тренировка на развитие выносливости к работе аэробного характера приводит к следующим изменениям в организме:
• система внешнего дыхания – увеличивается ЖЕЛ, увеличиваются размеры и подвижность грудной клетки, повышается сила дыхательной мускулатуры, уменьшается толщина стенок легочных альвеол, повышается диффузионная способность легких;
• сердечно-сосудистая система – увеличивается толщина стенок сердца, возрастает сила сердечных сокращений, увеличиваются максимальные величины ЧСС, СОК и МОК, повышается способность клеток сердца утилизировать лактат, увеличивается внутренний диаметр кровеносных сосудов, формируются механизмы перераспределения кровотока, увеличивается скорость движения крови по сосудам;
• система крови – увеличивается объем циркулирующей крови, повышается содержание гемоглобина и кислородная емкость крови;
• двигательный аппарат – увеличивается содержание в мышцах АТФ, КрФ, миоглобина и гликогена; повышается количество митохондрий в мышечных клетках, растет активность ферментов, участвующих в окислительных реакциях, повышается способность медленных мышечных волокон утилизировать лактат, увеличивается количество функционирующих в мышцах капилляров; увеличивается толщина медленных мышечных волокон, незначительно возрастает количество медленных мышечных волокон;
• ЦНС – повышается кровоснабжение двигательных нервных центров, увеличиваются размеры нервных и нервно-мышечных синапсов, совершенствуются двигательный навык, внутримышечная и межмышечная координация.
Специализированная тренировка на развитие выносливости к работе анаэробного характера приводит к следующим изменениям в организме:
• возрастает содержание в мышечных клетках АТФ, КрФ и гликогена, увеличивается толщина быстрых мышечных волокон, повышается емкость буферных систем крови, увеличивается устойчивость клеток организма (в первую очередь нервных) к сдвигу рН в кислую сторону (ацидоз).