Введение к работе
Актуальность проблемы. В разработке современных научно обоснованных средств н мероприятий, направленных на повышенно функционального состояния и физической подготовленности человека, важное место отводится разнообразным упражнениям, ні ,-енснфнкация которых з тренировочном процессе сопровождается нарушением газового состава крови и тканей, накоплением большого количества продуктов обмена, развитием глубокого метаболического ацидоза, что может лимитировать работоспособность человека (Hermansen L., 1979; Cerretelli P., 1984). Между тем известно, что сократительная функция скелетных мышц обусловлена уровнем развития энергообеспечнвающнх систем (Перковігч Е.М., 1964; Яковлев Н.Н., 1974; Williams С, 1985; Connett R. е! al., 1985) и, прежде всего, резервными возможностями газообменной функции легких (Евгеньева АЛ., 1974; Михайлов В.В., 1983. Мищенко B.C., 1990), уровень которых может изменяться под влиянием кислорода и метаболического С03 (Adams R., Welch Н., 1900). Физиологическая роль кислорода в биоэнергетике широко известна [Иванов К.П., Кисляков Ю.Я., 1968; Агаджаїшн НА. 1960; Жиронкнн А.Г., 1972; Аксельрод А.Ю., 1977), а значение эндогенного СОа в механизме повышения работоспособности и развития мышечного утом чення изучено недостаточно полно. Углекислый гаї метаболического происхождения является фнзнолопгчески важным элементом. Оіі участвует в синтезе всех биологических соединений. Без него невозможно образование и расщепление жиров, белков, углеводов (Коцарь Н.И., 1976; Гулый М.Ф., 1980; Романенко БД. и соавторы, 1980).
В организме человека и животных углекислый газ образуется при завершении реакций обмена веществ. В состоянии относительного покоя в тканях производится около 240 мл «мин'1 молекулярного С02 (Fathi L., Rahn Н-, 1960), где он накапливается, затем диффундирует в кровь и далее в легкие. В этих условиях параметры рС02 в артериальной, венозной кропи, альвеолярном воздухе достаточно четко определены (Альбнцкнй П.М., 1911; Холден Дж.. П.нстли Дж., 1937; Маршак М.Е., 1961, 1969; Сулнмо-Самуйло З.К., 1971, 1979; Агаджанян Н.А, 1968, 1972; Агаджанян Н.Л., Елфимов А.И., 1986; Середемко М.М. и соавт., 1980; Березовский В.А., Сеоебровская Т.В., 1987; Мищенко B.C., 1990; Rahn И., Fenn W„ 19. Dickinson W., Richards D.M., 1965), их количественное значение up вызывает сомнениям нетребует дополніггельной коррекции. Имеющиеся в ліггерагу(і'> данные о физиологической роли углекислоты в основном были чолучрпи j условиях относительного покоя. Однако под пчияннем физіги ч кий
A.
работы различной мощности и продолжительности показатель РАСО, изучался реже. Поданной проблеме имеются лишь отдельные публикации противоречивого характера (Любнна Б.Г.. 1975; Абрикосова М-А. и соавт., 197В; Карпмлн В.Л., ОрелВ.Р., 1978; ХаилароваТ.А.. 1983; КучкинС.Н., 1984; Doll Е. ct eh. 1968).
Известно, что интенсивной мышечная деятельность способствует развитию гипервєитиляцин, снижению напряжения СО, в тканях, проявлению метаболического ацидоза (Маршак М.Е., 1961, 1969; Малкиы В.Б.. Гора Е.П., 1990; Aslrand Т.. 1963; Doll E.et al.. 1968; Green H.J., 1983). Однако причины, вызывающие усиленную продукцию органическігх кислот, остаются невыясненными. Они могут быть самыми разными.
Во время физической работы молочная кислота образуется преимущественно в скелетных мышцах, где она накапливается, а затем диффундирует в кровь (Hermansen L., Vaage О., 1977; Tosch Р.Л. et al., 1982). С наибольшей скоростью она образуется а быстро сокращающихся мышечных волокнах, поскольку они обладают высокой активностью глнколнтических ферментов и имеют повышенное содержание гликогена (Ivy J. et al., 1979; Green H. et al., 1979). Скорость ее образования не зависит от р03 в тканях и от уровня потребления кислорода (Doll Е. et al., 1968; Connett R.J. et al., 1985). Она образуется анаэробно в результате ферментативного распада углеводов. Кислород при этом совсем не нужен (Мелихова М.А., 1986). В состоянии относительного покоя, когда потреблеіпіе кислорода полностью соответствует энергетическому запросу, продукция молочной кислоты составляет в среднем 1300—1500 мМоль за один сутки (Ram D. et al.,1966; Hermansen L., Vaage O.. 1977; Kresberg R.. 1980). Значительное повышение содержания молочной кислоты как в состоянии покоя (Смирнов А.В., 1984: Hollosxy J.. 1973; Withers R.T., 1977), так и при физической работе (Bucher Th.. Russan W., 1963; Keul J. et al., 1967) определяется тем, что скорость ее образования превосходит возможность быстрого окисления в скелетных мышцах. В то время как в тканях головного мозга и в миокарде, богатыми митохондриями, такой пропорция не наблюдается (Edwards A. et al., 1965; Kllngerberg М., 1964).
Известно, что основным энергетическим субстратом при интенсивной физической работе является гликоген мышц, распад которого совершается с накоплением органических кислот (Кендыш И.Н., 1985; Мелихова М-А_, 1986, Зимин Ю.В.. ВасягинаТ.И., 1989; Fletcher W.M., HopkerF.G.. 1907. Hill Л.V., 1925; Hermansen L., 1979; Heigerbauses E. et al., 1983; Hughes F.E. et al., 1982). В случае снижения его содержания в тканях, уровень молочной кислоты уменьшается (Hermansen L.et al., 1967; SegalS.S., Brooks P.D.. 1979;
Janson E., 1980). С усилением лнпидного обмена продукция лактата также уменьшается (Hargreaves N. et а!.. 1983). Однако при кратковременных нагрузках максимальной мощности молочная кислота совсем не образуется или незначительно повышается, поскольку при такой работе сократительная функция скелетных мышц обеспечивается за счет расщепления кроатннфосфата (Margaria R., 1969; Kindermann VV., Schnabel H., 1980).
Учитывая важность проблемы регуляции метаболического ацидоза при выполненн! физической работы большой мощности, атакже оценивая определяющую роль газообменнои функции легких в механизме повышения функционального состояния, фіізігаеской работоспособности и развития мышечного утомления, мы провели настоящее исследование.
Цель п задачи ясследоаанкЛ. Основной целью исследований являлось изучение роли газообменнои функции легких и кислотно-основного состояния крови а механизмах псвышения работоспособности и развіггия мышечного утомления.
В исследованиях решались следующие основные задачи:
1. Определить значение эндогенного и экзогенного СОа в механизмах
повышения физической работе способности, усиления газообменной функции легких, развития мышечного утомления. Выявить и оценить корреляционную связь между показателями РлС03 и данными внешнего дыхания, максимального потребления кислорода, величиной нагрузки.
2. Изучить динамику газообмена и развития метаболического ацидоза под
влиянием тестирующей работы ступенчато-повышающейся мощности. Выявить и оценить корреляционную связь ме-жду уровнем накопления органических кислот, потреблешіем кислорода, величиной нагрузки, дыхательным коэффициентом.
3. Определить влияние мышечной работы умеренной мощности,
активизирующей липидный обмен, на динамику развития
метаболического ацидоза и на положение лактатной кривой. Выявить
возможность усиления жирового обмена под влиянием системапгческнх
тренировок с использованием физических упражнений циклического
характера.
І. фпзиолопгчески обосновать значение перераспределения дыхательных объемов, составляющих жизненную емкость легких, в механизме развития «мертвой точки» н феномена гипервеитнляции, проявляющихся при интенсивной мышечной деятельности динамического характера.
5. Изучить возможностьускорелия восстановления газообменной функции легких и кислотно-основного состояния крові при мышечном утомлении С помощью средств физігческой культуры и спорта.
Основные положения, выносимые на защиту '
Теоретические аспекты научного определения газообменной функции
легких и кислотно-основного состояния крови в энергообеспечении
двигательной активности включают в себе следующие принципы:
1. Длно физиологическое обоснование о важной роли внешнего дыхания в механизмах повышения физической работоспособности и развития мышечного утомления. Перерасиределепне спирометрических обтьемои, составляющих жизненную емкость легких, имеет существенное значение в проявлении «мертвой точки», гипервентнляцин II сопутствующей гнперкапнпп. 2 Показана возможность .Ьпвизацин липндного обмена путем сие тематических тренировок с использованием физических упражнений циклического характера. Выявлена адаптивная способность организма к переключению эноргообеспечнвающнх функций с углеводного обмена на липидный в самом начале мышечной работы ступенчато-повышающейся мощности. I Результаты проведенных исследований позволили рекомендовать ряд важных научно-обоснованных мероприятий по ускорению утилизации нелетучих органических кислот в состоянии мышечного утомления с использованием средств физической культуры и спорта. Выявлены наиболее эффективные режими двигательной активности, которые способствуют снижен ню уровня метаболического ацидоза с наибольшей скоростью.
Научная новизна. Впервые представлены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что система внешнего дыхания не лимитирует доставку кислорода п ткани. С увеличением тестирующей нагрузки утилизация Ог нарастает по закону линейной регрессии, достигая своего максимального уровня, что свидетельствует о полном удовлетворении к нслородного запроса организма. Увеличение максимального потребления кислорода под влиянием физических тренировок не снижает уровень метаболического ацидоза, но МПК очень четко влияет на порог анаэробного обмена, смещая его проявление и режим наибольшей мощности, расширяя тем самым диапазон аэробной работы. Новыми являются данные о развитии двигательной гипервентиляции, проявляющейся всякий роз в условиях интенсивной мышечной деятельности динамического характера. а также по время пассивного отдыха после работы Гішервеїггііляция всегда приводит к развитию гппокапннн, что в свою очередь еще больше обостряет состояние метаболического ацидоза, углубляя функциональное состояние организма в целом.
Впервые изучалась возможность ускорения утилизации органических кислот в восстановительном периоде с помощью средств активного отдыха. Физические упражнения умеренной и большой мощности, выполняемые сразу после соревновательных нагрузок, приводят к резкому снижению уровня метаболического ацидоза и к восстановлению параметров кислотно-основного состояния крови.
Впервые были получены данные, евндетельствуюигне об усилении реакций липндного распада под вміянием систематических тренировок с
использованием беговых упражнений умеренной мощности, что проявилось в снижении дыхательного коэффициента относительно исходного уровня в самом начале тестирующей работы. Выраженность изменений дыхательного коэффициента зависела от длительности тренировочного периода. Статистически заметные сдвиги были выявлены ч рез два месяца занятий медленным бегом, более выраженные — через о месяцев, глубокие изменения — через 10 месяцев.
Научная и практическая значимость исследования. Выявлена закономерность накопления эндогенного СО, в альвеолярном воздухе под влиянием физических упражнений умеренной мощности и установлена тесная корреляционная связь между значением РдС02 и процентной величиной утилизации кислорода. По данным РАС02 можно достоверно судить о функциональном состоянии и уровне физической работоспособности человека, поскольку при максимальной нагрузке показатель РАСО^ надежно связан с общим объемом выполненной работы, с максимальным потреблением кислорода, с концентрацией нелетучих органических кислот.
На всех режимах работы ступенчато-повышающейся мощности была выявлена корреляционная связь между шггенсивностью нагрузки и данными VOj. Отмеченная взаимосвязь сохранялась также и при работе с максимальным потреблением кислорода, что позволяет надежно диагностировать специальную подготовленность спортсмена по достигнутому МПК. И наоборот, о максимальном потреблении кислорода можно судить по величине преодолеваемой нагрузки.
Индивидуально подобранные физические упражнения умеренной мощности, стимулируя распад жирных кислот, способствуют расширению границ приложения- мышечных усилий без накопления в тканях органических кислот.
Развитие метаболического ацидоза под влиянием физических упражнений связано с реакциями обмена веществ. Распад жирных кислот, обеспечивающий энергетику работы умеренной мощности, протекает аэробным путем, не нарушая кислотно-основного равновесия в тканях. Однако при интенсивной мышечной деятельности происходит переключение реакций с липидного обмена на /глевоДный. В этом ел уча'* энергия для мышечных сокращений образуется при расщеплении углеводов с образованием молочной кислоты.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на четвертом всесоюзном симпозиуме «Физнологпч'гкпо проблемы адаптации». Таллинн, 1984; на пятом всесоюзном симно-лнуч.-
«Эколого-фнзиологнческие проблемы адаптации», Москва, 1908; на первой н второй конференциях «Физическое востггание студентов», Харьков, 1985; Львов, 1991; на всесоюзной научно-практической конференции «Физическая культура и здоровый образ жизни», Севастополь, 1990; иа седьмом всесоюзном снмпози ~ve «Эколого-физнолопгческне проблемы адаптации», Москва, 1994. Основные положения диссертации отражены в 32 опубликованных работах.
Структура к объем работы. Диссертация изложена на 252 страницах машинописного текста н состоит из введения, тести глав, выводов, практических рекомендаций. Работа иллюстрирована 18 таблицами, 26 рисунками. Список литературы содержит 317 источников, из них 171 на иностранном языке.
Методы, объем и организация исследовании. Для реализации поставленных задач было выполнено пять серий исследований, в которых участвовали здоровые молодые люди — мастера велосипедного спорта, бегуны на средние н длинные диет акции, любители оздоровительного бега и физически неподготовленные лица. Обследования проводились в состоянии относительного покоя и при выполнении тестирующих функциональных проб с использованием велоэргометра, беговых упражнении, пшеркапннческих газовых смесей.
Физическая работоспособность определялась с помощью велоергометра ВЭ-02. Вес обследуемые выполняли на нем тестирующую работу в режиме ступенчато-повышающейся мощности после разминки (Зациорский В.М., 1979). Первоначальная нагрузка составляла 50 Вт. Через каждые 3 минуты увеличивали мощность педалирования на 50 Вт до появления признаков глубокого мышечного утомления. Показателями истощения ы невозможности продолжения работы служили следующие фасторы: падение оборотов велоэргометра ниже 60 в минуту, обильнее потоотделение, достижение МПК, увеличение частоты сердечных сокращений до 180—190 в мнігуту, снижение показателя рН крови до7,070—7,120. Работоспособность оценивали по величине максимального объема выполненной работы. Расчет производился по следующей формуле:
P-I(NXI), Вт. где Р — максимальный объем выполненной работы (искомая величина); I — знак суммирования исследуемых величин; N — мощность произведенной работы, Вт; t — продолжительность работы с заданной нагрузкой, мин.
Функции внешнего дыхания изучали методом Дугласа-Холдена а открытой системе. Пробы выдыхаемого и альвеолярного воздуха собирали в состоянии мышечного покоя, а тазике во время работы на каждой ступени тестирования.
Дыхательные объемы рассчитывали я снсгеме I3TnS, показатели газообмена приводились к условішм стандартной атмосферы (STPD). Определяли частоту дыхания (Г), объем легочной вентиляции (VE), выделение углекислого га: , (VC02), потребление кислорода (VQ3), дыхательный коэффициент (R), коэффициент использования кислорода (КИОа), процентные велнчшидутилизацтої кислорода (FH02) и выделения углекислого газа (FEC03), парциальное давление углекислого газа и кислорода п альвеолярном воздухе (РАСОа, РА02). На последней ступени тестирования п состоянии мышечного утомления собирали пыдыхаемый воздух в мешок Дугласа и определяли уровень максимального потребления кислорода (МПК).
Методом Е.В. Щестаксзой (1958) регистрировали'жнзнешгую емкость легких (ЖЕЛ), резервны!"» объем вдоха (IRV), резервный объем выдоха (ERV), дыхательный сбъсм fVT), рассчитывали уровень дыхания (IRV/ERV).
О развитии «мертвой точки» судили по результатам спирометрических обтсмоз, составляющих ЖЕЛ.
Покг\злт<\.\и кислотно-основного состояния крови (КОС) изучали на инкроаналпзаторе ОР-210/3 методом насыщения газовыми смесями, содер;хппгтми 5,-1 С03 и 11,0% СОа и кислороде. Калибровку аппарата по стандартным буферным расгеорам производили после прогрева прибора ті непосредственно нер?д хаткдим измерением. Достоверность анализа г.онтролнрояалн по номограмме относительно нормальной буферной линии, соответствующей цельней кропи с содержанием 15,0 г % гемоглобина при полном насыщении кислородом (Агапов Ю.Я., 1968). Пробы крови на анализ брали .из мякоти разогретого пальца. Находили следующие покйза-.-2лн: рН кропи, колігчество буферных оснований (ВВ), содержание истинного (ЛВ) и стгчдартного (SB), бикарбонатов, парциальное давление углекислого газа а пробах капиллярной крови (РаС02).
Всего к обследованиям привлекалось 216 человек. Было выполнено более 3000 измерений. Полученные данные обрабатывались статистически' с применением критерия Стьюдеігта-Фишера (Урбах В.Ю., 1964). Количественные характеристики взаимосвязи были получены на основании корреляционного анализа экспериментальных данных. Математическая обработка проводилась при помощи вычислительной техники — ЭВМ IBM PC/XT.'