CC BY
68адаптация кардиореспираторнои системы спортсменов к двигательной деятельности
УДК/UDC 796.01:612
Поступила в редакцию 28.06.2019 г.
Информация для связи с автором: kaf.fv.kgau@mail.ru
Доктор биологических наук, профессор Ю.С. Ванюшин1 Кандидат биологических наук, доцент Р.Р. Хайруллин1 Кандидат биологических наук, доцент Д.Е. Елистратов1 Кандидат биологических наук, доцент Н.А. Федоров1 Н.Ф. Ишмухаметова2
1 Казанский государственный аграрный университет, Казань
2 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Казань
ADAPTATION OF ATHLETES' CARDIORESPIRATORY SYSTEM TO PHYSICAL LOADS
Dr.Biol., Professor Yu.S. Vanyushin1 PhD, Associate Professor R.R. Khairullin1 PhD, Associate Professor D.E. Elistratov1 PhD, Associate Professor N.A. Fedorov1 N.F. Ishmukhametova2
1 Kazan State Agrarian University, Kazan
2 Kazan State University of Architecture and Civil Engineering, Kazan
□ и
£ г. CL
4—
О OJ и
CL ' -о с
га
^
О (U .с Н
Аннотация
Цель исследования - изучение процесса адаптации кардиореспираторной системы спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость. Методика и организация исследования. В ходе работы применялся комплекс неинвазивных методов исследования. Одновременно регистрировались показатели сердечно-сосудистой системы, внешнего дыхания и газообмена.
Результаты исследования и выводы. Физиологическими детерминантами кардиореспираторной системы являются: инотропная, хронотропная, сосудистая и дыхательная реакции, участие которых зависит от функциональных нагрузок. При активном ортостазе в компенсаторно-адаптационных реакциях принимает участие целый комплекс кардиореспираторных функциональных элементов, среди которых нельзя выделить ведущий фактор в адаптации. При нагрузках мощностью от 50 до 200 Вт наблюдается снижение прироста сердечного выброса, который компенсируется в зависимости от возраста спортсменов одной из реакций кардиореспираторной системы: внешним дыханием, кровообращением или газообменной функцией. По преобладающему характеру отдельных реакций со стороны органов кровообращения и дыхания выделены типы адаптации кардиореспираторной системы. При максимальной нагрузке (3 Вт/кг) наблюдается смешанный тип, характеризующийся увеличением до индивидуального предела параметров хронотропной функции сердца, внешнего дыхания и в некоторых случаях ударного выброса.
Ключевые слова: кардиореспираторная система, нагрузка, дыхание, кровообращение, газообмен, спортсмены.
Annotation
Objective of the study was to analyze the peculiarities of adaptation of the cardiorespiratory system of athletes engaged in endurance sports. Methods and structure of the study. The study involved a set of non-invasive research methods. Besides, we tested the athletes' cardiovascular, external respiration and gas exchange systems.
Results of the study. Among the physiological determinants of the cardiorespiratory system are: inotropic, chronotropic, vascular and respiratory reactions, the activation of which depends on the functional loads. During active orthostasis, a whole array of cardiorespiratory functional elements take part in the compensatory-adaptive reactions, with no driving factor to be distinguished. Under physical loads from 50 to 200 W, there was a decline in the growth in cardiac output, which, depending on the athletes' age, was compensated by one of the cardiorespiratory system reactions: external respiration, blood circulation or gas exchange function. By the prevailing nature of individual reactions of the circulatory and respiratory organs, the types of adaptation of the cardiorespiratory system were identified. Under the maximum load (3 W/kg), a mixed type of reaction was observed, which was characterized by an increase to the individual limit of indicators of the chronotropic function of the heart, external respiration and, in some cases, stroke output.
Conclusion. The functional system structure is characterized by constant changes in the degree of involvement of its functional elements and peculiarities of their combination.
Keywords: cardiorespiratory system, load, respiration, blood circulation, gas exchange, athletes.
Введение. Многочисленными исследованиями установлено значение кардиореспираторной системы для жизнедеятельности человека и животных. Показано, что развитие и совершенствование данной системы происходит в процессе постнатального онтогенеза и двигательной деятельности [3-5]. Кардиореспираторная система относится к частным функциональным системам [9] и состоит из органов кровообращения и дыхания. Ее изучение ведется по двум направлениям:
- компенсаторно-адаптационные реакции кардиореспираторной системы при различных функциональных нагрузках;
- состояние и деятельность кардиореспираторной системы, направленная на обеспечение организма кислородом.
Цель исследования - изучение процесса адаптации кардиореспираторной системы спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость, с помощью комплекса неинвазивных методов исследования.
Методика и организация исследования. В своих исследованиях одновременно регистрировались показатели сердечно-сосудистой системы: частота сердечных сокращений (ЧСС), ударный объем крови (УОК), минутный объем кровообращения (МОК), индекс кровообращения (ИК), сердечный индекс (СИ); показатели внешнего дыхания: частота дыхания (ЧД), дыхательный объем (ДО), минутный объем дыхания (МОД); показатели газообмена: коэффициент использования кислорода (КИО2). Показатели центральной гемодинамики (ЧСС, УОК, МОК) определяли путем записи дифференциальной реограммы по В. Кубичеку с соавт. (1974 г), в модификации Ю. Т. Пушкаря с соавт. (1977) и Ю. С. Ванюшина (2003 г). Показатели внешнего дыхания (ЧД, ДО, МОД) определяли пневмотахографическим способом, а газообменную функцию (КИО2) находили расчетным путем. Для этого газоанализ выдыхаемого воздуха производили на парамагнитном анализаторе кислорода АК-5. В качестве физической нагрузки применялось изменение положения тела в пространстве, работа на велоэргометре ступенчато-повышающейся мощности без пауз отдыха от 50 до 200 Вт и при нагрузке 3 Вт/кг у спортсменов с высокими тотальными размерами тела. Длительность каждой ступени составляла 4 мин. Скорость вращение педалей была 60 об/мин.
В исследованиях приняло участие 72 спортсмена мужского пола в возрасте от 15 до 60 лет, распределенных на 4 группы: 1-я группа - 11 спортсменов-подростков в возрасте 15-16 лет; 2-я группа - 22 спортсмена-юноши в возрасте 17-21 года; 3-я группа - 20 спортсменов-мужчин в возрасте 22-35 лет; 4-я группа - 19 спортсменов-мужчин в возрасте 36-60 лет. Все исследуемые спортсмены занимались видами спорта, в которых ведущим двигательным качеством была выносливость. К таким видам в наших исследованиях относились лыжные гонки и бегуны на средние и длинные дистанции в легкой атлетике.
Результаты исследования и их обсуждение. Первое направление «Компенсаторно-адаптационные реакции кар-диореспираторной системы при различных функциональных нагрузках» рассматривалось нами при изменениях положения тела в пространстве и физических нагрузках на велоэр-гометре. В результате выявлены ведущие компенсаторно-адаптационные реакции кардиореспираторной системы и степень их участия при различных функциональных нагрузках (см. рисунок).
Так, при смене положения тела целый комплекс кардио-респираторных показателей принимает участие в компенсаторно-адаптационных реакциях, и в этом случае нельзя выделить ведущий фактор в адаптации. Изменения, которые происходят при смене положения тела в кардиореспираторной системе, можно условно рассматривать как минимальные нагрузки [7], и они проявляются компенсаторно-адаптационными реакциями, направленными на устранения первичных эффектов. В то же время при физической нагрузке на велоэргометре имеются превалирующие системы: кровообращение, внешнее дыхание и газообмен. Работу на велоэргометре мощностью в 200 Вт можно принять за пороговую нагрузку, в результате которой нами выделены основные системы и функции организма спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость, и их участие в компенсаторно-адаптационных реакциях находится в зависимости от возраста. В некоторых случаях нами наблюдалось увеличение нескольких показателей кардиореспираторной системы. Особенно это проявилось в группе спортсменов, имеющих высокие тотальные размеры тела при индивидуально подобранной велоэргометрической нагрузке, мощность которой иногда доходила до 300 Вт и она рассматривалась как максимальная. В результате такой нагрузки нарастает
Активный Хронотропная,
ортостаз инотропная,
сосудистая,
дыхательная
Инотропная
Хронотропная
Нагрузка Респираторная
мощностью -► Хронотропно-
200 Вт респираторная
Инотропно-
респираторная
Хронотропно-респираторная
Хронотропно-инотропно-респираторная
Схематическое представление компенсаторно-адаптационных реакций кардиореспираторной системы при различных функциональных нагрузках
напряжение органов, в частности двигательной мускулатуры и миокарда. По-видимому, сигналы с этих органов являются причиной адаптационных перестроек. Выяснения резервных возможностей в условиях повышенных нагрузок привело нас к выводу, что для обеспечения возросших потребностей работающих скелетных мышц в кислороде организму необходимо наличие двух, а в некоторых случаях и трех параметров кардиореспираторной системы. К ним мы относим частоту сердцебиений, ударный выброс и минутный объем дыхания. Взаимосвязь между силой и частотой сердечных сокращений наряду с законом Франка-Старлинга является фундаментальным механизмом саморегуляции деятельности сердца, который обеспечивает надежность функций сердца в условиях возрастающих физических нагрузок при высокой частоте и силе сокращения.
При втором направлении обеспечение организма кислородом осуществляется степенью развития системы кислородного регулирования и оптимальным взаимодействием различных звеньев кардиореспираторной системы, включающей внешнее дыхание, кровообращение и газообменную функцию. Поэтому одним из путей повышения спортивных результатов, особенно в видах спорта, связанных с развитием выносливости, является расширение функциональных возможностей кардиореспираторной системы.
Известно, что наиболее эффективным механизмом в обеспечении организма кислородом принято считать увеличение сердечного выброса. Однако результаты, полученные нами [2], свидетельствуют о снижении прироста МОК при переходе от одной нагрузки к другой, который вследствие недостаточно полной диастолы и недостаточно увеличенной интенсивности сокращений сердечной мышцы достигается неэкономным путем - за счет роста ЧСС при ограниченном увеличении ударного выброса. Совершенство функций сердца в этом случае лимитировано интенсивностью основных процессов, определяющих сократительные возможности сердечной мышцы: процессами возбуждения, сопряжения возбуждения с сокращением и расслаблением, энергообеспечением кардиомиоцита и мощностью структур, обеспечивающих эти процессы [8]. В связи с этим можно предположить существование других механизмов, направленных на удовлетворение кислородного запроса организма при мышечной деятельно-
№ 2 • 2020 Февраль | February
http://www.teoriya.ru
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
CL ' -о с
га
^
О (U .с I—
сти. Одним из них является внешнее дыхание, причисленное рядом исследователей [6] к факторам, лимитирующим возможность достижения высоких спортивных результатов.
На уровне системы дыхания адаптация характеризуется максимальной мобилизацией внешнего дыхания, которая проявляется ростом легочной вентиляции вследствие увеличения частоты и глубины дыхания. В этом случае можно предположить наличие дискоординации между регионарным кровотоком в легких и вентиляцией соответствующих участков легочной ткани, а также дискоордина-цией между дыханием и движениями [1]. Лимитирующими факторами в сложившейся ситуации являются анатомо-функциональные возможности аппарата внешнего дыхания и функциональные возможности регуляции дыхания [1].
Наибольшие величины легочной вентиляции нами были зафиксированы в группах подростков 15-16 лет и взрослых спортсменов в возрасте 36-60 лет. По-видимому, механизм, связанный с увеличением внешнего дыхания во время выполнения нагрузки повышающейся мощности на велоэргометре в этих группах, является превалирующим и физическая работоспособность обеспечивается значительным напряжением кардиореспираторной системы. При этом наблюдаются различные пути достижения максимальных величин легочной вентиляции: в группе подростков это происходит за счет увеличения частоты дыхания; в группе взрослых спортсменов - в результате увеличения глубины дыхания. Данный факт объясним с точки зрения возрастных особенностей развития организма, так как к 16 годам завершается морфофункцио-нальное формирование системы дыхания и направленность учебно-тренировочного процесса в этом возрасте должна быть ориентирована на развитие потенциала системы дыхания, что будет способствовать повышению аэробной производительности организма. Необходимо отметить, что полученные нами результаты легочной вентиляции не являются критерием достаточно высокого уровня тренированности, так как при этом возрастает кислородная и энергетическая стоимость дыхания. В этих условиях адаптация к физическим нагрузкам лучше всего реализуется путем активации и повышения эффективности системы транспорта и утилизации кислорода. Об этом свидетельствуют достоверно большие величины индекса кровообращения и сердечного индекса в группе юношей в возрасте 17-21 года. Благодаря развитию гипертрофии и увеличению скорости и амплитуды сокращения дыхательной мускулатуры [10] увеличивается ЖЕЛ и возрастают величины КИО2 в группе взрослых спорт-сменов в возрасте 22-35 лет при одинаковом потреблении кислорода во время выполнения ими нагрузки повышающейся мощности. По-видимому, с ростом массы митохондрий в скелетных мышцах достигается значительное увеличение аэробной мощности организма и повышение способности дыхательного центра длительно поддерживать возбуждение на предельном уровне.
Для суждения о компенсаторных и адаптивных реакциях организма спортсменов при выполнении ими физической нагрузки рекомендуется использовать коэффициент комплексной оценки по обеспечению организма кислородом, состоящий из показателей кардиореспираторной системы. Данный коэффициент показал наличие больших функциональных резервов в группах юношей и взрослых спортсменов в возрасте 22-35 лет, а также замещение функций в организме подростков и взрослых спортсменов в возрасте 36-60 лет при выполнении ими нагрузок мощностью от 100 до 200 Вт. Значительное снижение коэффициента комплексной оценки обеспечения организма кислородом в группах подростков и взрослых спортсменов в возрасте 36-60 лет при выполнении ими велоэргометрической на-
грузки мощностью в 200 Вт отражает большую «физиологическую цену» по обеспечению доставки кислорода к работающим скелетным мышцам. Выявленные возрастные особенности обеспечения организма кислородом позволяют целенаправленно использовать физические нагрузки в учебно-тренировочном процессе и более обоснованно решать задачи по воспитанию и развитию двигательных качеств в разные периоды онтогенеза.
Вывод. При выполнении функциональных нагрузок повышающейся мощности наблюдаются сложные адаптивные взаимоотношения кардиореспираторных параметров, проявляющиеся в многообразии различных вариантов реагирования.
Литература
1. Бреслав И.С. Регуляция дыхания / И.С. Бреслав, В.Д. Глебовский. - Л.: Наука, 1981. - 280 с.
2. Ванюшин Ю.С. Адаптация сердечной деятельности и состояние газообмена у спортсменов к физической нагрузке / Ю.С. Ванюшин, Ф.Г. Ситдиков // Физиология человека. - 1997. - Т. 3. - № 4. - С. 69-73.
3. Ванюшин Ю.С. Кардиореспираторная система как индикатор функционального состояния организма спортсменов / Ю.С. Ванюшин, Р.Р. Хайруллин // Теория и практика физ. культуры. -2015. - № 7. - С. 11-14.
4. Ванюшин Ю.С. Порог адекватной гемодинамической реакции у спортсменов при физической нагрузке повышающейся / Ю.С. Ванюшин, Р.Р. Хайруллин, М.И. Рахимов // Теория и практика физ. культуры. - 2016. - № 9. - С. 53-55.
5. Ванюшин Ю.С. Значение коэффициента комплексной оценки кардиореспираторной системы для диагностики функционального состояния спортсменов / Ю.С. Ванюшин, Р.Р. Хайруллин, Д.Е. Елистратов // Теория и практика физ. культуры. - 2017. -№ 5. - С. 59-61.
6. Дубилей В.В. Физиология и патология системы дыхания у спортсменов. / В.В. Дубилей, П.В. Дубилей, С.Н. Кучкин. - Казань: КГУ, 1991. - 144 с.
7. Карпман В.Л. Динамика кровобращения при минимальных физических нагрузках / В.Л. Карпман, З.Б. Белоцерковский, Б.Г. Лю-бина // Физиология человека. - 1994. - Т. 20. - № 1. - С. 84-89.
8. Меерсон Ф.З. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам / Ф.З. Меерсон, М.Г. Пшенникова. - М.: Медицина, 1988. - 253 с.
9. Судаков К.В. Системная организация функций человека: теоретические аспекты / К.В. Судаков // Успехи физиологической науки. - 2000. -Т. 31. - № 1. - С. 81-96.
References
1. Breslav I.S., Glebovskiy V.D. Regulyatsiya dyihaniya [Movement control]. Leningrad: Nauka publ., 1981. 280 p.
2. Vanyushin Yu.S., Sitdikov F.G. Adaptatsiya serdechnoy deyatelnosti i sostoyanie gazoobmena u sportsmenov k fizicheskoy nagruzke [Adaptation of athletes' cardiac activity and state of gas exchange to physical activity]. Fiziologiya cheloveka [Human physiology]. 1997. v. 3. no. 4. pp. 69-73.
3. Vanyushin Yu.S., Khayrullin R.R., Rakhimov M.I. Porog adekvatnoy gemodinamicheskoy reaktsii u sportsmenov pri nagruzke povyshayushcheysya moshchnosti [Adequate hemodynamic response threshold in athletes at graduated physical loads]. Teoriya i praktika fiz. kultury, 2016, no. 9, pp. 53-55.
4. VanyushinYu.S., Khayrullin R.R., D.E. Elistratov Znachenie koeffitsienta kompleksnoy otsenki kardiorespiratornoy sistemyi dlya diagnostiki funktsionalnogo sostoyaniya sportsmenov [Role of coefficient of comprehensive assessment of cardiorespiratory system in diagnostics of functional state of athletes]. Teoriya i Praktika Fizicheskoy Kultury. 2017. no.5. pp. 59-61.
5. Dubiley V.V., Dubiley P.V., Kuchkin S.N. Fiziologiya i patologiya sistemyi dyihaniya u sportsmenov [Physiology and pathology of respiratory system in athletes]. Kazan: KSU publ., 1991. 144 p.
6. Karpman V.L. , Z.B. Belotserkovskiy, B.G. Lyubina Dinamika krovobrascheniya pri minimalnyih fizicheskih nagruzkah [Dynamics of blood circulation with minimal physical load]. Fiziologiya cheloveka [Human Physiology]. 1994. v. 20. no. 1. pp. 84-89.
7. Meerson F.Z. , M.G. Pshennikova Adaptatsiya k stressovyim situatsiyam i fizicheskim nagruzkam [Adaptation to stressful situations and physical activity]. M.: Meditsina publ., 1988. 253 p.
8. Sudakov K.V. Sistemnaya organizatsiya funktsiy cheloveka: teoreticheskie aspektyi [Systemic organization of human functions: theoretical aspects]. Uspekhi fiziologicheskoy nauki. 2000.v. 31. no. 1. pp. 81-96.
9. Fanta C., D. Leith, R. Brown Maximal shortening of inspiratory muscles: effect of training. J. Appl. Physiol. 1983. V.54. N6. p.1618-1622.
