CC BY
58
БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД В РАЗВИТИИ СИЛОВОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА Е.А. Серобабина
(Санкт-Петербургская государственная академия физической культуры
им. П.Ф. Лесгафта) Научный руководитель - д.м.н., профессор А.А. Потапчук
(Санкт-Петербургская государственная академия физической культуры
им. П.Ф. Лесгафта)
Проведены исследования биохимических и биофизических процессов, протекающих в клетках мышц человека. Выявлена закономерность изменения интенсивности лимфотока при физической нагрузке и электромагнитном воздействии. Предложена методика ускоренного развития силовой выносливости.
Чтобы понять все процессы, которые протекают в организме человека, необходимо его рассматривать как взаимосвязанный биофизический и биохимический объект. Известно, что при работе в мышечных тканях идет ускоренный распад глюкозы, что приводит к активизации мышечных тканей и накоплению продуктов распада непосредственно в мышцах, одним из главных компонентов является молочная кислота [1, 2]. Молочная кислота создает кислотную среду в мышечных тканях, а это, в свою очередь, приводит к замедлению реакции распада глюкозы, и мышцы начинают уставать. Производительность мышц падает, и наступает момент, когда сокращение мышц прекращается. Поэтому разработка методов ускоренного развития силовой выносливости является актуальной задачей как для спортсменов, так и для людей, занимающихся физической зарядкой.
Основной целью работы является разработка метода компенсации влияния молочной кислоты и быстрого вывода продуктов распада из мышц при физической нагрузке.
Для достижения поставленной цели проводились исследования биохимических процессов, протекающих в клетках мышц, и их взаимосвязи с биофизическими процессами.
Характер протекания биохимических процессов и взаимосвязь с биофизическими процессами в клетках мышечных тканях при работе рассмотрим на примере модели клетки и межклеточного пространства. Обозначим эту пару, соответственно, сосуд I и сосуд II. В соответствии со структурой построения клеток между клетками существует полупроницаемая клеточная перегородка. Через эту перегородку могут диффундировать ионы. Положим, что в начале опыта концентрация ионов в обоих сосудах одинакова, и разность потенциалов между сосудами отсутствует. Тогда, если температура в клетках одинакова, то и гидростатическое давление в обоих сосудах одно и то же.
Подадим теперь на клетки небольшой мощности сигнал внешнего источника, создаваемая разность потенциалов меньше, чем необходимо для нарушения равновесия ионов и образования новых химических соединений. Концентрация нейтральных молекул в первом сосуде будет возрастать, а во втором сосуде понижаться, так как эти молекулы не могут пройти через полупроницаемую перегородку, появляется разность давлений между частями I и II, так называемое осмотическое давление. Под действием осмотического давления появляется обратный ток ионов через перегородку, который скомпенсирует поток этих ионов, вызванный электромагнитным полем, и установит новое термодинамическое равновесие. Чем выше амплитуда внешнего электромагнитного поля, тем выше уравновешивающее осмотическое давление. Таким образом, получаем преобразование электрической разности потенциалов в изменение давления или в акустические колебания, возникающие на разделе двух клеток.
Установим теперь основные соотношения для электрокинетического преобразователя. При разности потенциалов (ф1 - ф2) между сторонами I и II равновесие в преобразователе установится, если химические потенциалы ионов по обе стороны перего-
родки будут одинаковы. Химический потенциал Q", т.е. термодинамический потенциал, отнесенный к одной молекуле клеточной жидкости, является функцией давления (при постоянной температуре), заряда иона и электрического потенциала, под которым он находится в растворе: Q± = Q± veфс. Здесь V - валентность иона; е - заряд электрона; ф - потенциал клеточной жидкости; с - относительная концентрация ионов в жидкости; Q = Q (Т, Р) - химический потенциал незаряженной частицы; Q± - то же для заряженного «+» или «-» иона.
На стороне I, на которой давление повысилось на величину АР по сравнению со стороной II, химический потенциал незаряженной частицы, в линейном приближении, Q = Q (ТР0) + dQ/dP• АР, где Р0 - давление на стороне II. Тогда для заряженной частицы на стороне I: Q 1= Q (Т,Р0) + dQ/dP• АР - veфlC и на стороне II: Q 2= Q (Т,Р0) -veф2с.
При наступлении равновесия после подачи разности потенциалов U = ф1 - ф2 химические потенциалы сравниваются (ОУ 1 = Q 2), и dQ/dP• АР = ve(ф1 - ф2) с = veс U. Производная термодинамического потенциала по давлению дает объем вещества при данной температуре. Так как потенциал отнесен к одной молекуле клеточной жидкости, то dQ/dP = v - объем одной молекулы жидкости, так что после наступления равновесия, когда скорость движения электролита через перегородку х = 0, получим
АР|х=о = veс U/v = (veс F/V)U, (1)
где F = eN - число Фарадея, N - число Авогадро, V = vN - объем граммолекулы, с = пШ, п - число ионов на граммолекулу.
Если число ионов на граммолекулу составляет п и заряд одного иона vе, то плотность тока, текущего через перегородку (т.е. обратного по знаку в электролите), составит:
J = -xnve/V = -xcvF/V. (2)
Таким образом, в линейном приближении из (1) и (2) соотношение взаимности получается в виде:
АР/и х=о = -М ц=о = M = V. (3)
Если площадь пор перегородки, через которую течет ток, составляет А0, а рабочая площадь подвижных стенок-поршней А, то полная сила давления ¥ = А0АР, скорость движения поршней хп = хА0/А и полный ток через перегородку I = jA0. Тогда формально можно записать уравнения данного преобразователя: ¥ = уи=0 Xn + AMU,
I = - AMxn + Ц|гх=0. (4)
Здесь уи=0 - механическое сопротивление преобразователя при отсутствии напряжения, zx=0 - электрическое сопротивление преобразователя. Эти уравнения можно привести к виду
¥ = у,=0 xn + Mi I,
I = Mi Хп + Zx=01, (5)
где М = Zx=оМА, У;=0 = уц=0.
На ионы заряженного двойного слоя в тангенциальном поле напряженности Е, действует сила Fi = - qEi, если поверхностная плотность зарядов ионов составляет q, эта сила уравновешивается вязкими силами около поверхности пор:
цЛ2 v/d2 у = - цЕ, (6)
где ц - коэффициент вязкости; V - скорость жидкости у поверхности; у - координата, нормальная к поверхности поры. С другой стороны, для потенциала ф электрического поля, создаваемого ионами, можно написать:
Л2 ф /Л2 у = - 4п?/е, (7)
где 8 - диэлектрическая проницаемость жидкости. Комбинируя (6) и (7 ), получим
v/dl у = (8 qEi,/4л) Л2 ф /Л2 у. (8)
Это уравнение интегрируется:
V = (в Е,/4пц) + А у + В. (9)
Так как скорость при бесконечном удалении от поверхности пор не может возрастать до бесконечности, то А = 0. В непосредственной близости от поверхности пор, где пограничный слой жидкости покоится (V = 0), потенциал принимает некоторое значение фх , тогда В = - вЕг, фх /(4пц), и на большом удалении, где фх перестает нарастать (за пределами внешнего слоя ионов двойного слоя), скорость жидкости будет:
Г = в Е,(фо - ф8)/ (4пц) = в Е#(4яц), (10)
где (ф0 - ф8) = - падение потенциала в подвижной части двойного слоя. Если ввести эквивалентную толщину двойного слоя ё, то (10 ) можно записать в виде:
Г = [в/(4пё)]ё Е£/ц = dqE■J ц, (11)
где в/(4пё) имеет смысл эквивалентной емкости на толщине двойного слоя на единицу поверхности.
Подсчитаем величину плотности тока, переносимого жидкостью через поры под действием разности давления по обе стороны перегородки. Можно считать, что на толщине подвижной части двойного слоя ё скорость жидкости линейно нарастает до величины Г0. Тогда сила вязкого сопротивления на единицу поверхности пор Е = цу0/ё. Переносимый со скоростью v0 на границе слоя заряд q создает плотность тока на единицу длины контура поры ] = qv0. Таким образом, в отсутствии тангенциального электрического поля Е = цj/(dq), так что вместе с (11 ) это дает
Е//Е=0 = иМ)|Е=0 = ц/Ш = 4п ^/(ф. (12)
4п ц/(в^) = М - коэффициент взаимности в линейном приближении. Если полная площадь пор а длина их I, то полная сила при проталкивании жидкости ¥ = ББ, полный ток
г = jS/l, полное напряжение и = Е\ I, так что
¥/г|и=0 = 4п ц1/(в£). (13)
Теперь, подставляя значение тока, протекающего в клетках, с учетом выражения (5) и условий гармонического сигнала с частотой ю и внутреннего колебательного процесса клетки с частотой О можно получить уравнения преобразования электрического сигнала в акустические колебания в форме
¥ = (4п ц1/(в^))ео8[(ю - О)Г]. (14)
Таким образом, получено уравнение преобразования электрического сигнала в акустические колебания, которое характеризует низкочастотную вибрацию клеток при физических нагрузках. Наличие акустического сигнала, возникающего в процессе взаимодействия внутреннего электромагнитного поля, позволяет разработать новый подход в развитии силы и физической выносливости у человека. Здоровые клетки в организме человека являются также генераторами электромагнитных волн и не только в инфракрасном диапазоне, но и в более низкой области частот. В основе излучения электромагнитных волн (ЭМВ) лежат внутренние замкнутые токи, протекающие в клетке. Такие токи создают ЭМВ и магнитное излучение. Знание характеристик этих полей позволило разработать метод электромагнитной стимуляции клеток для компенсации молочной кислоты и ускоренного вывода продуктов распада из клеточной и межклеточной структуры мышц, что в свою очередь увеличивает производительность мышц и время непрерывной работы, то есть выносливость мышц.
Проведенные исследования акустических свойств мышц бицепса до нагрузки, после нагрузки и после стимуляции электромагнитным полем приведены в виде спектров акустических сигналов и представлены на рис. 1-3. Энергетическая составляющая, соответствующая частоте 0,5 Гц, характеризует центральную составляющую лимфатической системы человека, а центральная частота 1,1 Гц характеризует колебательный процесс кровяной системы человека (сердечные сокращения человека). Частотный спектр, который находится выше 1,1 Гц, характеризует индивидуальные особенности человека [3].
Анализ спектров показывает, что при физической нагрузке увеличивается интенсивность спектральных составляющих лимфатической системы человека, а при обработке электромагнитным полем она возрастает в несколько раз. Интенсивность кровотока при физической нагрузке практически не меняется, а частота максимальной составляющей кровотока увеличивается. При электромагнитной обработке мышц частота и интенсивность составляющих кровотока не изменяется. Увеличение интенсивности составляющих лимфатической системы будет благоприятно сказываться на компенсации молочной кислоты в мышцах и способствовать быстрому выводу продуктов распада.
А дБ
-24
-36
1 111111 . Е Гц ' 1 1 1 »
0,4 0,9 1,7 3,6 6,7 13 26 51 Рис. 1. Спектр акустического сигнала с бицепса до нагрузки
А дБ
-24
-36
Е Гц
"III
0,4 0,9 1,7 3,6 6,7 13 26 51 Рис. 2. Спектр акустического сигнала с бицепса после нагрузки
А дБ
0
-12
-24
-36
Е Гц
И I I »
0,4 0,9 1,7 3,6 6,7 13 26 51
Рис. 3. Спектр акустического сигнала с бицепса после обработки мышц
электромагнитным полем
Таким образом, зная основные биофизические характеристики лимфатической системы и воздействуя внешним источником на параметры лимфатической системы человека, можно добиться существенного увеличения амплитуды лимфотока в мышцах человека (внешний источник входит в резонанс с лимфатической системой).
Для подтверждения теоретических положений был проведен эксперимент. В качестве внешнего источника электромагнитных волн использовалась модифицированная лампа Д'Арсонваля с модуляционными параметрами лимфатической системы человека. К испытаниям привлекались физически здоровые люди в возрасте 19-25 лет, в количестве 10 человек. Контингент испытуемых делился на две группы: контрольную - 5 человек и испытуемую - 5 человек. Всем предлагалось выполнить одно упражнение -поднимать гантели, весом 6 кг, путем сгибания локтевого сустава до полного утомления. Контрольная группа не подвергалась обработки электромагнитным полем, а у испытуемой группы мышцы рук обрабатывались лапой Д' Арсонваля до и после нагрузки.
Эксперимент продолжался в течение десяти дней. Результаты эксперимента, усредненные по количеству испытуемых, представлены в виде графика (рис. 4). На графике изображены: 1 - результат выполнения упражнения испытуемой группой; 2 - результат выполнения упражнения контрольной группой.
N
200 180 160
140 120 100 80 60
40 20 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Рис. 4. Результаты выполнения физических упражнений, усредненных по количеству испытуемых. Т - дни испытаний; N - количество подъемов гантель
в один заход
Как следует из графика, усредненный результат контрольной и испытуемой групп существенно отличается. Если контрольная группа за 10 дней увеличила результат в 3 раза, то испытуемая группа увеличила свой результат практически в 11 раз.
Испытуемые, подняв в первый день гантели 17 раз, весом шесть килограмма каждая, на 10 день поднимают гантели около 200 раз. Физически здоровые люди в течение 10 дней, после обработки мышц рук лампой Д' Арсонваля, увеличивают силовую выносливость практически в 10-12 раз. Воздействие внешнего электромагнитного поля на мышцы раскрыло внутренний физический потенциал человека за очень короткий срок. В данном случае, за трое суток физический потенциал увеличился практически в 4 раза, при этом не наблюдались боли в мышцах.
Подводя итог проведенным теоретическим и экспериментальным исследованиям, можно сделать следующие выводы: проведенный биоинформационный подход в оценке основных физических параметров человека и использование полученных результатов для внешней стимуляции мышц позволяет увеличить силовую выносливость чело-
1
2
Т дн
века практически в 10 раз. Увеличение интенсивности лимфотока нейтрализует действие молочной кислоты в мышцах и увеличивает скорость вывода продуктов распада, что позволяет практически полностью устранить боли в мышцах и обеспечить эластичность мышц после силовой нагрузки.
Литература
1. Потапчук А.А. Адаптивная физическая культура в работе с детьми, имеющими нарушения опорно-двигательного аппарата. СПб: СПбГАФК им. П.Ф. Лесгафта, 2003. 228 с.
2. Серобабина Е.А. Раскрытие потенциальных физических возможностей человека. // Адаптивная физическая культура. 2003. № 3. С. 36-37.
3. Серобабина Е.А., Серобабин А.Т. Акустический метод диагностики функциональной деятельности мозга человека. // II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005» М.: МГУ им. М.В. Ломоносова. С.228-229.
