CC BY
71
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАКТИВНОСТИ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ
ЮНЫХ СПОРТСМЕНОВ
Ю.А. ПОЛАТАЙКО
Кафедра нормальной физиологии 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.8, медицинский факультет, РУДН
В работе показано, что спортивная тренировка на выносливость сопровождается функциональной экономизацией КРС в покое, проявляющейся в снижении удельных величин (на 1 м2 поверхности или 1 кг массы тела) потребления кислорода, легочной вентиляции и центральной гемодинамики, транспорта кислорода кровью. Одним из факторов реализации резервных возможностей организма юных спортсменов в процессе возрастного развития является увеличение переносимости сдвигов дыхательного гомеостазиса и накопления метаболитов анаэробного метаболизма при интенсивной мышечной деятельности. Это сопровождается увеличением степени утилизации 02 и эффективности дыхательной компенсации метаболического ацидоза. Критерием оптимальности возрастного развития функциональных возможностей КРС юных спортсменов является соответствие степени и динамики экономизации этой системы, снижения ее физиологической реактивности на сдвиги дыхательного гомеостазиса (к гипоксическому и С.02-Н' стимулу) приросту мощностных характеристик функциональных возможностей КРС и аэробной производительности организма в процессе выполнения долговременных тренировочных программ.
Известно, что под влиянием спортивной тренировки увеличиваются функциональные возможности юных спортсменов, растут показатели аэробной производительности организма, повышается эффективность функционирования системы дыхания [3, 4, 6, 9, 10].
Вместе с тем, практика современного спорта свидетельствует о том, что в пределах физиологической нормы могут быть такие режимы тренировки, которые не способствуют реализации резервных возможностей организма. Это, как правило, происходит при форсированном режиме тренировок, при стремлении на каждом этапе возрастного развития достичь наивысшего специального спортивного результата [8].
Исходя из представления о большой пластичности растущего организма, наличия «сенситивных» периодов развития, существует возможность прогнозирования отрицательного влияния интенсивных спортивных нагрузок для формирования потенциала важнейших функциональных систем организма в процессе возрастного развития, сочетающегося с напряженными физическими тренировками.
В связи с этим, целью настоящей работы являлось сравнительно-физиологическое исследование особенностей возрастной динамики развития кардиореспираторной системы (КРС) юных спортсменов и выявление критериев оптимальности этого процесса при многолетней спортивной тренировке, направленной на развитие выносливости в циклических видах спорта (плавании, академической гребле, велоспорте).
Материалы и методы
Обследовано 234 юных спортсмена в возрасте 9-18 лет, учащихся спортивных школ и членов юношеских сборных команд по плаванию, академической гребле и велосипедному спорту, а также 29 взрослых спортсменов высокой квалификации в возрасте 20-25 лет. В качестве контрольной группы обследовались школьники и студенты аналогичного возраста, не занимающиеся систематически спортивными тренировками.
В сравнительно-физиологических исследованиях использовался комплексный метод исследования внешнего дыхания, газообмена и кардиогемодинамики [7] с применением автоматизированной системы сбора информации на основе аппаратуры ММС «Бекман» (США) и «Радиометр» (Дания).
При этом регистрировали частоту дыхания ( ЧД, цикл/мин), дыхательный объем (ДО, мл), минутный объем дыхания (МОД л/мин), парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (РЮ2, мм рт. ст.) и выдыхаемом воздухе (РЕ02, мм рт. ст.), а также парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом (Р1С02, мм рт. ст.), выдыхаемом
(РЕС02, мм рт. ст.) и альвеолярном (РАС02, мм рт. ст.) воздухе. Рассчитывали также показатели газообмена: потребление кислорода (V02, мл/мин), выделение углекислого газа (VC02, мл/мин), дыхательный коэффициент (ДК, отн. ед.), коэффициент использования кислорода (КИ02, мл/мин), вентиляционный (ВЭ) и гемодинамический (ГЭ) эквиваленты, порог анаэробного обмена (ПАНО).
Объемные показатели внешнего дыхания приводились к условиям BTPS, а показатели газообмена - к стандартным условиям STPD.
Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы оценивалось с помощью электрокардиогрфии, импедансной тетраполярной реографии с регистрацией показателей на мингографе «М-34 Сименс-Элема» (Швеция) и реоплетизмографе РПГ-02. Артериальное давление измерялось методом Короткова. Исследовались такие показатели: частота сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), ударный объем сердца (УО, мл), минутный объем кровообращения (МОК, л/мин), артериальное давление (мм рт.ст.) систолическое (АДс), диастолическое (АДд).
Физические нагрузки различной интенсивности и длительности (от 15 секунд до 2 часов) осуществлялись на велоэргометре типа «Монарк» (Швеция). Интенсивность физической нагрузки выражалась в единицах мощности и по отношению к «критической» мощности, а также в величинах потребления 02 (V02, %) от индивидуального максимального потребления кислорода (МПК).
Учитывая, что для системы дыхания наиболее адекватными стимулами являются С02, pH, 02 и изменения артериального давления крови, основные тестовые процедуры с целью изучения физиологических механизмов регуляции дыхания и кровообращения предусматривали использование указанных стимулов. Гипоксический и гиперкапниче-ский стимулы создавались при дыхании газовыми смесями с различным содержанием 02 и С02 или во время «возвратного дыхания» [1, 2, 5, 7].
В исследованиях учитывалось, что реакция КРС, метаболические и сдвиги внутренней среды организма при различных методических приемах тестирования общей и специальной работоспособности спортсменов циклических видов спорта выявляют пять наиболее общих свойств - главных факторов функциональной подготовленности: мощность, подвижность, устойчивость, экономичность и реализация функционального потенциала.
Полученные данные были подвергнуты вариационно-статистической обработке по программе «STATISTICA».
Результаты и их обсуждение
В результате проведенных исследований установлено, что изменение функциональных показателей. КРС в зависимости от возраста, массы и поверхности тела в целом имеет сходный характер (табл.1).
Сравнительный анализ полученных данные свидетельствует об отчетливом влиянии спортивной тренировки на один из интегральных показателей, характеризующих экономичность системы дыхания в условиях покоя. Вместе с тем следует отметить общую тенденцию к снижению удельной величины потребления кислорода по мере увеличения возраста обследуемых. Аналогичная тенденция выявляется и по другим показателям, характеризующим экономизацию КРС. Отмечается снижение вентиляционного и гемо-динамического эквивалентов, частоты дыхания и частоты сердечных сокращений, легочной вентиляции и сердечного выброса. Быстрое и значительное снижение потребления кислорода (на 1кг массы или 1м2 поверхности тела) в состоянии покоя у юных спортсменов до уровня, характерного для спортсменов зрелого возраста, едва ли может быть безоговорочно отнесено к положительным явлениям. Известно, что необходимым условием полноценного развития формирующегося организма является высокий уро-
вень метаболизма. С целью сопоставления темпов энергетической экономизации покоя и скорости изменения ряда факторов производительности КРС (ее мощности, устойчивости, подвижности) проведены исследования, объектом которых были квалифицированные юные спортсмены, распределенные на три группы в зависимости от возраста, в котором начиналась их спортивная специализация.
Представленные в табл. 1 результаты позволяют выявить весьма отчетливую направленность в эффективности влияния первого периода значительного увеличения объема и интенсивности мышечных нагрузок в разных возрастных группах на темп и абсолютную величину прироста функционального потенциала КРС. Эти данные свидетельствуют о том, что юные спортсмены, которые начали активные занятия спортом относительно рано и в первые 2-3 года достигли наиболее высоких спортивных результатов, в итоге к 17-19 годам не отличаются по показателям мощности КРС от тех спортсменов, которые вступили в активный спорт позднее - в 15-16 лет. Так, например, юные гребцы, начавшие спортивную специализацию в 12 лет (группа А в табл. 1), не имеют преимущества по уровню развития относительной (на 1кг массы тела) мощности КРС по сравнению с юными спортсменами из групп Б и В. Это свидетельствует, на наш взгляд, о том, что естественные факторы возрастного развитая оказываются более значимыми для формирования функционального потенциала системы дыхания, чем интенсивная мышечная тренировка. Есть основания полагать, что значительное снижение уже в возрасте 14-15 лет относительного (на 1кг массы тела) V02 в состоянии покоя, отражая высокий уровень спортивной работоспособности и функциональной мощности системы дыхания, указывает на то, что воздействие мышечной тренировки на выносливость находится за пределами оптимального для данного возраста. При этом нельзя исключать возможные генетические индивидуальные черты адаптации к мышечным нагрузкам, а также некоторые социально-психологические факторы, нередко на этом фоне замедляются темпы спортивного совершенствования. Тем не менее, мы считаем возможным использовать величину V02 (мл/мин-кг'1) в качестве одного из критериев оптимальности воздействия интенсивной спортивной тренировки на растущий организм. Полученные данные позволяют считать физиологически нерациональными величины V02 в покое ниже 3,3-3,5 мл/мин-кг"1 для юных гребцов, пловцов и велосипедистов в возрасте 14-15 лет. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что оптимальный возраст достижения таких величин экономизации энерготрат в покое составляет 17-19 лет. В этом возрасте практически полностью реализуется потенциал возрастного развития КРС.
Для сравнения возрастного развития КРС и уровней ее предельной производительности по критериям анализа структуры функциональной подготовленности спортсменов, специализирующихся в циклических видах спорта, нами было проведено обследование велосипедистов высокой спортивной квалификации в возрасте 16-18 лет и 20-25 лет (табл.2 ).
Представленные в табл. 2 данные свидетельствуют о высоком функциональном потенциале КРС. Тем не менее, спортсмены в этом возрасте по большинству показателей мощности, устойчивости, экономичности системы дыхания существенно уступают взрослым спортсменам, что, в частности, выявляется при сравнении максимальных величин систолического и дыхательного объемов, кислородной емкости крови, удельного уровня критической мощности физической нагрузки, параметров анаэробной производительности.
Вместе с тем, можно отметить, что у юношей в возрасте 16-18 лет реакция КРС как на стандартные, так и на околокритические уровни мощности физической нагрузки несколько увеличена относительно уровней потребления кислорода по сравнению со спортсменами в возрасте 20-25 лет. Как показывает сравнительный анализ, такая «ги-перкинетическая» реакция является естественной возрастной особенностью, физиологи-
ческим отражением необходимости увеличения надежности системы. Она является в определенной мере дополнительным фактором компенсации несовершенства регуляции кислородного режима организма. Это приводит к меньшей (на 3-7%) экономичности КРС спортсменов-юношей в возрасте 16-18 лет по сравнению со взрослыми спортсменами. По соотношению величины поступающего в альвеолы и транспортируемого 02 с величиной 02, потребляемого организмом, нами определены уровни мощности физической нагрузки, при которых сохраняется близкая к наивысшей суммарная экономичность КРС: для спортсменов в возрасте 16-18 лет и 20-25 лет указанные уровни составляют, соответственно, 68±3% и 77±4% от МПК.
Таблица 1
Показатели мощности, устойчивости и скорости развертывания функциональных реакций КРС юных спортсменов-гребцов (М±т)
Функциональные показатели КРС Группы спортсменов
А Б В
У02 в покое (мл/мин-кг’) 3,65±0,13 3,71 ±0,09 3,63±0,12
Показатели мощности системы:
МПК (мл/мин-кг1) 5б,1±1,36 58,6±1,23 62,2±1,18
МОД (л/мин-кг1) 1,75±0,12 1,81±0,14 1,86±0,13
МОК (мл/мин-кг1) 375±8 401±10 422±11
Мощность нагрузки (^р) при МПК (кгм/мин-кг-1) 23,5±0,75 26,3±0,83 28,2±0,65
Показатели скорости развертывания реакций системы:
Постоянная времени выполнения нагрузки мощностью (мин) 3,41±0,11 4,36±0,12 6,25±0,15
Коэффициент устойчивости ЧСС при нагрузке, длительностью 30 мин и мощностью 0,65 от^р (%) б,40±0,15 8,21±0,23 5,31 ±0,1 б
Максимальная величина произвольного МОД за 40 с при поддержании РАС02 (л/м2) 53,6±2,11 72,0±2,30 80,2±2,70
Парциальное напряжение С02 в смешанной венозной крови при МПК (РуС02, мм рт. ст.) 53,0±2,05 59,0±1,80 68,0±2,10
Показатели устойчивости системы:
Постоянная времени (Т50) ЧСС при от нагрузки мощностью 0,5 \¥кр до уровня (с) 22,2±0,17 28,5±0,87 25,4±0,62
Постоянная времени (Т50) МОД при от нагрузки мощностью 0,5 ХУкр до уровня \¥кр (с) 25,3±0,61 32,7±0,96 27,5±0,75
Постоянная времени (Т50) У02 при нагрузке мощностью 0,5 Шкр (с) 24,4±0,63 29,5±0,86 2б,8±0,78
Величина МОД в начале нагрузки (10 с) мощностью 0,5 УУкр (л/кг) 0,46±0,02 0,41±0,01 0,49±0,02
Примечание: средний возраст спортсменов в группах (А=13,8; Б=15,9; В=17,8 года); средний возраст начала активных тренировок в тех же группах — соответственно, 11,5; 13,5:15,5 года.
У юных спортсменов, в тренировке которых регулярно преобладали нагрузки с высоким компонентом анаэробного гликолитического энергообеспечения, были выявлены более низкие показатели не только экономичности, но и мощности КРС. У этих спортсменов вырабатывались специфические черты регуляции дыхания, центральной гемодинамики и транспорта газов кровью, которые по своему характеру можно назвать «гипокинетиче-
Таблица 2
Сравнительные показатели функциональной производительности кардиореспира-торной системы юных и взрослых квалифицированных ______________________спортсменов-велосипедистов (М±т)________________________
Функциональные показатели КРС Возраст спортсменов
16-18 лет 20-25 лет
МПК (мл/мин-кг1) 62,5± 1,25 72,6± 1,76
Мощность нагрузки (Wto) при МПК (кгм/мин-кг1) 28,3±0,54 31,5±0,48
Время поддержания нагрузки мощностью Wko (мин) 7,95±0,69 11,7±0,97
Максимальный кислородный пульс (мл/уд.) 23,4 ±0,45 26,9±0,78
ЧСС при МПК (уд/мин) 188±3 178±1
Средняя ЧСС за 30 мин нагрузки мощностью 3 Вт/кг (уд/мин) 154±3 134±2
Пульсовая стоимость нагрузки мощностью 3 Вт/кг (кгм/уд) 8,55±0,19 9,92±0,25
Коэффициент устойчивости ЧСС при нагрузке мощностью Wkp (%) 4,76±0,45 4,26±0,66
Частота дыхания при нагрузке мощностью Wto (цикл/мин) 45,5± 1,35 40,3± 1,55
Цыхательный коэффициент при нагрузке мощностью Wkt) (ед) 1,17±0,01 1,14±0,01
Избыточное выделение С02 при нагрузке мощностью WkB (мл/кг) 121±7 160±12
Соотношение потребления кислорода при ПАНО и МПК (%) 75,8±1,54 73,4±1,18
Частота сердечных сокращений при ПАНО (уд./мин) 1б6±2 154±1
Время (мин) достижения ЧСС 120 уд./мин после нагрузки Wk„ 4,22±0,23 3,13±0,15
скими». При этом функциональные реакции при уровнях нагрузки, близких к МПК, имели более выраженное запаздывание (постоянную времени) в начале физической нагрузки или в переходных периодах изменения ее интенсивности. Такие же изменения, то есть снижение мощности, экономичности, подвижности функциональных реакций КРС, наблюдались и у взрослых спортсменов при значительном увеличении в тренировочном процессе доли нагрузок анаэробной гликолитической направленности. Однако у юных спортсменов эти изменения наступали в более короткие сроки. В этом, вероятно, проявляется более выраженная пластичность растущего организма.
Следовательно, пути адаптации КРС и увеличения ее потенциала в процессе многолетней тренировки юных спортсменов в циклических видах спорта должны быть ориентированы на создание оптимальных условий для формирования мощностных и мобилизационных характеристик функциональных реакций, направленных на доставку кислорода к работающим органам, избегая углубления тенденции «привыкания» к недостатку кислорода и избытку недоокисленных продуктов обмена.
Полученные данные свидетельствуют, что симптомы «привыкания» к сдвигам внутренней среды организма, которые могут трактоваться и как повышение устойчивости к ним, приводят прежде всего к относительному уменьшению функциональной реактивности КРС. Если для зрелого организма квалифицированных спортсменов это можно рассматривать как один из важнейших механизмов реализации резервов системы, то для растущего организма это может быть фактором, снижающим возможности максимальной реализации потенциала возрастного развития системы под влиянием спортивной тренировки.
В связи с этим для изучения критериев оптимальности влияния тренировки мы проанализировали изменения состояния чувствительных элементов КРС при их стимуляции адекватными раздражителями. Такой методический подход позволяет дифференцировать механизмы функциональных приспособительных изменений.
Учитывая, что для КРС адекватными регуляторными стимулами является углекислота, pH, кислород и изменения давления в артериальном русле, большинство функциональных тестов предусматривало применение указанных стимулов.
Исследования показали, что имеются естественные возрастные различия в изменении вентиляции на увеличение парциального давления С02 в альвеолярном воздухе. О роли С02-стимуляции дыхания свидетельствует сопоставление вентиляторной реакции при увеличении РАС02 до 50 мм рт. ст. (МОД50) с максимальной величиной МОД при физической нагрузке. Если в возрасте 10 лет МОД50 составляет 44% от этой величины, то в 15-16 лет - лишь 28% (р<0,001). С возрастом снижается чувствительность вентиляторной реакции на гипокапнию: у 9-10-летних детей снижение МОД при уменьшении РА_ С02 на 1 мм рт. ст. составляет 6,6 мл/мин-кг'1, тогда как у 16-летних подростков - лишь 4,2 мл/мин-кг
Анализ данных показал, что степень снижения чувствительности легочном вентиляции к С02, наблюдаемая у взрослых спортсменов, специализирующихся в циклических видах спорта, часто достигается уже в возрасте 15-16 лет в случае предварительной, в течение 2-4 лет, интенсивной тренировки в плавании, гребле или велосипедном спорте. Так, под влиянием 2-3 лет такой тренировки прирост МОД при увеличении РА_ С02 на 1 мм рт. ст. у юных гребцов и пловцов в возрасте 15-16 лет был почти в два раза меньше, чем у нетренированных подростков того же возраста, — соответственно, 1,26 и 2,15 л/мм рт. ст.
Наблюдаемое нами возрастное снижение общей реакции КРС на С02 обусловлено, по-видимому, преимущественно ролью первичной реакции периферических артериальных хеморецепторов. В последующий возрастной период роль первичной реакции возрастает и к 16-18 годам достигает того же уровня, как и в 9-10 лет.
У юных спортсменов, специализирующихся в циклических видах спорта (особенному пловцов), удельный вес первичной реакции - на 15-20% выше, чем у других спортсменов (р<0,01). Есть основание полагать, что наблюдаемое снижение вентиляторной реакции на С02 вызвано у юных спортсменов снижением чувствительности не только артериальных, но и центральных хеморецепторов.
Известно, что спортивная тренировка закономерно приводит к снижению чувствительности организма к гипоксии, отражая увеличение общей кислородной буферной способности организма. Вместе с тем, у юношей снижение чувствительности к гипоксии реакции легочной вентиляции и центральной гемодинамики отражает увеличение надежности КРС лишь в том случае, если сопровождается увеличением аэробной мощности организма [6, 7].
Анализ полученных данных показал, что возможная степень сдвигов дыхательного гомеостазиса и снижение чувствительности к этим сдвигам, сопровождающее рост тренированности, может быть основано, с одной стороны, на высоком функциональном потенциале системы, а с другой - может свидетельствовать о степени исчерпания резервов развития возможностей кардиореспираторной системы. При этом развитие функциональной устойчивости отражает реализацию имеющегося потенциала системы. Контроль оптимальности адаптации к напряженным тренировочным нагрузкам предполагает учет соотношения развития физиологических свойств. Возникновение функциональной устойчивости основано на снижении чувствительности КРС, приводящем к снижению производительности ее ответа на повторяющиеся тренировочные воздействия. Это приводит к снижению резерва дальнейшего развития мощностных характеристик и потенциала системы. Вследствие этого дальнейшая тренировка при отсутствии корректировок ее направленности становится все более ориентированной на реализацию имеющегося потенциала системы, а не на его развитие. На рис. 1 показано, что наиболее интенсивное формирование такого потенциала происходит до 15-16 лет и совпадает по скорости развития с увеличением функциональной устойчивости КРС и снижением
чувствительности рецепторных образований системы.
При оптимальной динамике наиболее значительная интенсивность реализации потенциала системы в процессе напряженной тренировки должна быть характерна для следующего возрастного периода - от 17-18 лет до возраста высших спортивных достижений. Именно в этот период достигается близкий к наивысшему уровень надежности системы регуляции функций КРС.
Эта схема, не претендуя на полную законченность, указывает на вытекающие из данной работы физиологические закономерности и возможные направления дальнейшего исследования критериев оптимальности возрастного развития функциональных возможностей юных спортсменов.
Таким образом, спортивная тренировка на выносливость сопровождается функциональной экономизацией КРС в покое, проявляющейся в снижении удельных величин (на м2 поверхности или кг массы тела) потребления кислорода, легочной вентиляции и центральной гемодинамики, транспорта кислорода кровью. При этом, одним из факторов реализации резервных возможностей организма юных спортсменов в процессе возрастного развития является увеличение переносимости сдвигов дыхательного гомеостазиса и накопления метаболитов анаэробного метаболизма при интенсивной мышечной деятельности. Это сопровождается увеличением степени утилизации 02 и эффективности дыхательной компенсации метаболического ацидоза.
Литература
1. Агаджанян Н.А., Елфимов А.И. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии. -М.: Медицина, 1986.
2. Агаджанян Н.А., Полунин И.Н., Степанов В.К., Поляков В.Н. Человек в условиях гипокапнии и гиперкапнии. -Астрахань-Москва, 2001.
3. Булгакова К.Ж. Отбор и подготовка юных спортсменов (пловцов). -М.: Физкультура и спорт, 1978.
4. Колчинская А.З. Кислородные режимы организма детей и подростков. -К.: Наукова думка, 1973.
5. Красников Н.П. Значение газообменной функции легких и кислотно-основного состояния крови в механизмах повышения работоспособности и развития мышечного утомления: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. -М., 1995.
6. Лысенко Е.Н. Физиологическая реактивность кардиореспираторной системы и особенности проявления физической работоспособности квалифицированных спортсменов: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. -Киев, 2002.
7. Мищенко B.C. Функциональные возможности спортсменов. — К.: Здоров’я, 1990.
8. Платонов В.К Современная спортивная тренировка. -К.: Здоров’я, 1980.
9. Сонькин В.Д. Развитие энергетического обеспечения мышечной деятельности подростков. //Физиол. чел. 1988. № 2. С. 255-268.
10. Тихвинский С Б., Хрущев С.В. Детская спортивная медицина. -М.: Медицина, 1991
FEATURES PHYSIOLOGICAL REACTIVITY CARDIORESPIRATORY SYSTEM OF THE JUVENILE
SPORTSMEN
Y.A. POLATAIKO
Department of normal physiology RPFU. 117198, Moscow, st. Mikluho-Maklaya, 8,
medical faculty.
In work is shown, that the sports training on endurance is accompanied functional economization of the cardiorespiratory system (CRS) in rest shown in downstroke of specific sizes (on m2 of a surface or kg of mass of a body) of consumption of oxygenium, pulmonary ventilation and central hemodynamics, transport of oxygenium by the blood. One of the factors of realization of reserve opportunities of an organism of the juvenile sportsmen during age development is the augmentation of an acceptability of shifts of a respiratory homeostasis and accumulation of metabolites anaerobic of a metabolism at intensive muscular activity. It is accompanied by augmentation of a degree of recycling 02 and efficiency of respiratory indemnification of a metabolic acidosis. Criterion of an optimality of age development of functionalities CRS of the juvenile sportsmen is the conformity to a degree and dynamics economization of this system, downstroke of its physiological reactivity on shifts of a respiratory homeostasis (to hypoxic and C02-H + stimulus) gain physical loads of the characteristics of functionalities CRS and aerobic loading of an organism during performance long-term train programs.
