Когда мы двигаемся, работает все наше тело. Мышцы обеспечивают
движение, сердце гоняет кровь по сосудам, легкие дают кислород
органам. От слаженной работы всех этих систем зависит то, насколько
экстремальные нагрузки сможет вынести человек. ПостНаука вместе с
врачом Иваном Лепетинским разобралась, какие биохимические реакции
дают нам энергию для движения, сколько кислорода нужно работающим
мышцам и зачем им расти, и почему, когда мы занимаемся спортом,
сердце начинает биться быстрее объясняем все это простыми
словами.Проект Наука здоровой жизни это онлайн-путеводитель по
медицине, питанию и спорту, в котором мы делимся достоверной и
актуальной информацией о здоровом образе жизни. Проект создан с
использованием гранта Президента Российской Федерации,
предоставленного Фондом президентских грантов.Мышцы и энергияДля
выполнения любой работы организму человека нужна энергия, которая в
конечном счете тратится на проведение различных биохимических
реакций: именно к ним сводятся любые процессы в организме от
сокращения мышц до работы нервных клеток. Универсальным источником
энергии выступает молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ),
которая в результате ряда химических реакций высвобождает нужную
энергию однако АТФ не подходит для того, чтобы запасать энергию на
долгое время, поэтому собственно АТФ в клетках содержится мало.
Если интенсивность работы клетки повышается, она должна
генерировать АТФ при помощи других химических соединений, чтобы
сразу же тратить ее на обеспечение нужных процессов. Для этого
клетке доступно четыре вида реакций, из которых для двух нужен
кислород (аэробное дыхание), а еще для двух не нужен (анаэробное
дыхание): продукция АТФ из креатинфосфата происходит без участия
кислорода; продукция АТФ из жирных кислот происходит с участием
кислорода; продукция АТФ из глюкозы может происходить без участия
кислорода (тогда образуется молочная кислота) и с участием
кислорода в зависимости от его доступности.Чтобы разобраться в
общих принципах энергообмена в клетках, нам не очень важно, как
именно протекают эти реакции; самое главное то, что клетки человека
для нас важны в первую очередь мышечные клетки могут использовать
разные способы получения АТФ в зависимости от того, какие ресурсы
им доступны и хватает ли им кислорода. Если его недостаточно это
может случиться либо в начале физической активности, когда
сердечно-сосудистая и дыхательные системы не успели адаптироваться
к работе, либо когда интенсивность тренировки слишком большая, и
клеткам нужно производить и тратить больше АТФ, чем позволяет
аэробный обмен клетки временно переходят в анаэробный режим работы.
Таким образом, организм не переключается между этими двумя режимами
работы, а скорее использует анаэробные реакции в дополнение к
аэробным: иными словами, восприятие силовых тренировок как
исключительно анаэробных, а кардионагрузок как исключительно
аэробных не вполне корректно.При резком начале работы в мышцы не
успевает поступать достаточное количество кислорода из крови,
поэтому клетки сначала используют запасенный в организме кислород
содержащийся, например, в миоглобине в мышцах а затем, если его все
еще недостаточно, переходят в анаэробный режим работы: возникает
кислородная задолженность. Эту задолженность организм восполняет и
после тренировки: когда вы уже прекратили физическую активность,
ваше дыхание некоторое время все равно остается учащенным. Это
нужно, чтобы восполнить запасы кислорода и завершить некоторые
процессы например, расщепить молочную кислоту, которая создает
жжение в мышцах, если вы не успели это сделать раньше. Когда запасы
кислорода в тканях восстановятся, потребление кислорода в покое
вернется к нормальному уровню.Скелетные мышцыВ организме человека
можно выделить три типа мышц: прикрепленные к костям скелетные
мышцы, которые обеспечивают локомоцию1; сердечную мышцу (миокард),
которая обеспечивает движение крови по сердцу и сосудам; и гладкие
мышцы, которые расположены в стенках различных органов тела
например, в стенках кишечника и помогают передвигать их
содержимое.Скелетные мышцы прикреплены к костям при помощи
сухожилий как минимум в двух местах на неподвижной части скелета и
подвижной его части, то есть на тех костях, которые эта мышца
сближает или отдаляет друг от друга. Чтобы понять, как это
работает, опустите правую руку вниз и согните ее в локте: в этом
случае ваше плечо будет неподвижно, а предплечье подтянется к нему.
Но если вы теперь поднимете руку в сторону и одновременно начнете
сгибать локоть, то и плечо, и предплечье будут в движении: где же
здесь неподвижная часть скелета? На самом деле это движение просто
состоит из двух разных, и если разбить его на составляющие, все
станет понятно: отдельно движется предплечье относительно плеча, а
отдельно плечо вместе с ним относительно лопатки. Такие сложные
взаимодействия костей-рычагов обеспечивают все наши движения от
прыжков и махов, когда мы отбиваем мяч в волейболе, до быстрых,
точных движений пальцев, которые позволяют добиться жемчужного
звука в сложных пассажах на фортепиано.Кость человека состоит из
нескольких типов тканей. Внешний слой костной ткани образует
компактное вещество, а внутренний губчатое вещество: они отличаются
друг от друга по структуре и плотности. Компактное вещество состоит
из систем вставленных друг в друга маленьких трубочек и
обеспечивает основную прочность кости, а губчатое вещество
образовано множеством маленьких пластинок и перегородок, которые и
дают ему сходство с губкой: по сравнению к компактным веществом оно
более легкое и хрупкое. Снаружи кость окружена плотной
соединительной тканью надкостницей: именно к ней крепятся мышцы. В
небольших полостях внутри костной ткани находятся живые костные
клетки остеобласты, которые синтезируют костную ткань, и
остеокласты, которые ее разрушают. Во время сильных нагрузок в
костной ткани могут образоваться микроповреждения, и тогда
остеокласты разрушают поврежденную ткань, а остеобласты синтезируют
на этом месте новую уже без повреждений. Именно поэтому силовые
упражнения укрепляют не только мышцы, но и кости.Суставы образуются
в местах соединения костей и могут обладать разной степенью
подвижности. Те части костей, которые образуют сочленения, покрыты
гладким хрящом, который служит амортизатором при ударах (например,
во время бега) и уменьшает трение между костями. Эта область со
всех сторон окружена связками, которые образуют суставную сумку:
связки удерживают кости на месте и обеспечивают подвижность сустава
в нужных направлениях. Содержащаяся в суставной сумке жидкость
дополнительно уменьшает трение и служит смазкой. Хотя в суставных
хрящах есть живые клетки, которые могут восстанавливать
поврежденную ткань хондробласты, они работают не так быстро и
эффективно, как клетки костной ткани. Отчасти это связано с тем,
что к хрящам не подходят кровеносные сосуды, поэтому питательные
вещества и кислород попадают в них только путем диффузии из
окружающих мышц и костей [1]. Следовательно, чтобы поддерживать
суставы как можно более здоровыми, необходимо обеспечивать хороший
приток крови к окружающим их тканям иными словами, больше двигаться
и тренировать все основные группы мышц.Вернемся к нашему примеру со
сгибанием локтя: за это движение отвечает в первую очередь
двуглавая мышца плеча бицепс. Как он устроен и за счет чего
сокращается? Каждая скелетная мышца состоит из пучков мышечных
волокон: в диаметре каждая из них может достигать размеров от 20 до
100 m, а в длину несколько сантиметров. Сами клетки мышечной ткани
наряду с прочими органеллами содержат множество клеточных ядер,
митохондрии для генерации энергии, саркоплазматический ретикулум,
который помогает передавать сигналы из нервной системы, и
миофибриллы, которые, собственно, и позволяют мышце сокращаться.
Мышечные волокна окружены разными видами соединительной ткани,
которая удерживает волокна на месте и подводит к ним кровеносные
сосуды: эндомизий прослаивает отдельные мышечные волокна, перимизий
окружает небольшие пучки мышечных волокон, а эпимизий, наиболее
плотный, окружает всю мышцу снаружи.Процесс сокращения мышцы
описывает теория скользящих нитей. Каждая миофибрилла состоит из
саркомеров [2], образованных в первую очередь двумя типами белковых
миофиламентов толстыми миозиновыми нитями и тонкими актиновыми
нитями. В расслабленной мышце миозин располагается по центру
саркомера, а актин по его краям, немного заходя на миозин, но когда
мышце нужно сократиться, актиновые нити начинают подтягиваться к
центру, и в итоге весь саркомер становится короче, хотя длина самих
нитей остается неизменной. Именно так сокращался ваш бицепс, когда
вы сгибали руку в локте, а вместе с ним сокращался еще ряд мышц:
каждое движение чаще всего обеспечивает не одна мышца, а несколько.
Основная мышца, выполняющая движение, называется агонистом, а
дополнительные, которые ей помогают синергистами.Итак, вы согнули
руку в локте и теперь хотите ее разогнуть: как это сделать? Здесь
бицепс вам уже не поможет: саркомеры могут только укорачиваться, а
вот произвольно растягиваться они не могут. Иными словами, если бы
у вас на руке был только бицепс, вы бы могли только согнуть руку, а
вот медленно разогнуть ее бы уже не получилось только расслабить
всю мышцу целиком. Чтобы выполнить любое движение и затем вернуть
кость в исходное положение, вам нужны по меньшей мере две мышцы
(или группы мышц), то есть мышцы-антагонисты: одна будет выполнять
движение, а другая отменять его. Например, у бицепса антагонистом
выступает трицепс трехглавая мышца, которая отводит предплечье от
плеча. Когда вы выполняете определенные движения, мышца-агонист и
ее синергисты сокращаются, а антагонисты расслабляются: именно
поэтому неэластичные, спазмированные мышцы ограничивают амплитуду
движений. Попробуйте соединить ладони за спиной, подняв правый
локоть вверх, а левый вниз: может быть так, что мышца-агонист и
синергисты еще могут сократиться, чтобы подтянуть ладони ближе друг
к другу, а вот антагонисты например, тот же трицепс или широчайшая
мышца спины не могут расслабиться достаточно, чтобы позволить
синергистам выполнить это сокращение, так что движение
прекращается, и соединить ладони не получается. Разные мышцы
обладают разной эластичностью в зависимости от того, как часто и
сильно им приходится растягиваться, так что попробуйте заодно
поменять руки и сцепить ладони за спиной, подняв вверх не правый, а
левый локоть: результат может оказаться совсем другим.Продолжим
наши эксперименты с бицепсом. Согните правую руку под прямым углом,
обопритесь локтем о стол (при желании можно взять в руку, например,
книгу или бутылку воды, чтобы увеличить нагрузку на мышцу) и
начините сгибать и разгибать руку только не до конца, чтобы не
травмировать сустав. Вы увидите, что ваши движения по крайней мере
поначалу остаются плавными, без рывков: это достигается за счет
правильной работы нервной системы. Здесь нужно отвлечься от
механизма мышечного сокращения на клеточном уровне и рассмотреть
работу всей мышцы в целом. Передачу сигнала на мышцы обеспечивают
мотонейроны, которые иннервируют определенные группы мышечных
волокон: вместе функциональная группа мышечных волокон со своим
мотонейроном называется моторной единицей. В одну моторную единицу
может входить разное число мышечных волокон: например, моторные
единицы в четырехглавой мышце бедра могут содержать до тысячи
волокон, а в ладонях меньше сотни.Во время движения разные моторные
единицы в мышце сокращаются и расслабляются немного в разное время,
и пока одни моторные единицы работают, другие отдыхают, а затем они
сменяют друг друга: это помогает сделать движения более плавными и
увеличить выносливость мышцы. Первыми в работу включаются маленькие
моторные единицы, которые развивают небольшую силу, а затем, если
нужно, средние и крупные моторные единицы с большим количеством
волокон. Это помогает использовать столько силы, сколько нужно для
решения данной задачи: например, небольшого числа мышечных волокон
достаточно, чтобы поднять телефон, но мешок картошки с их помощью
поднять уже не получится. С другой стороны, если вы начнете
развивать силу с крупных моторных единиц то есть попытаетесь
поднять телефон с тем же усилием, которое нужно для мешка картошки
результат может оказаться плачевным: телефон улетит в неизвестном
направлении. Именно поэтому организм сперва рекрутирует маленькие
моторные единицы, и только потом крупные чтобы не переборщить с
усилием.Продолжим качать бицепс. Через некоторое время вы
почувствуете в мышце жжение: это начала вырабатываться молочная
кислота, поскольку кислорода для производства энергии уже не
хватает, и мышцам приходится подключать анаэробное производство.
Если вы продолжите упражнение, вы ощутите дрожь в мышцах: это
связано с тем, что нагрузка на мышцу возрастает, и мозгу необходимо
подключать к работе все больше моторных единиц, чтобы справляться с
работой, и заставлять их сокращаться интенсивнее. Частота сигналов,
поступающих к каждой моторной единице, повышается, и некоторые
моторные единицы на короткое время выключаются из работы, поскольку
иннервирующие их нейроны достигают пределов по частоте передачи
сигнала и не способны еще чаще передавать команду мышечным
волокнам. Очень быстро эти моторные единицы снова возвращаются в
строй, но их кратковременного выключения из работы достаточно,
чтобы движение стало не плавным, а дерганным: мышечные волокна
начинают быстро переключаться между сокращением, когда они получают
сигнал, и расслаблением, когда сигнал до них не доходит, и в руке
появляется дрожь. И кстати: раз уж вы нагрузили бицепс на правой
руке, переложите груз в левую руку и повторите упражнение с той же
интенсивностью, чтобы бицепс на левой руке тоже не скучал.Итак,
если вы честно выполнили все наши инструкции и поупражняли мышцы
рук, у нас есть для вас две новости по традиции, хорошая и плохая.
Плохая новость состоит в том, что во время упражнения вы немного
повредили мышцы, поэтому их сила несколько снизилась, и завтра а
возможно, уже сейчас руки у вас будут болеть. Синдром отсроченной
мышечной боли, который возникает после тренировки, связан с тем,
что во время интенсивной тренировки повреждаются белки, отделяющие
один саркомер от другого: к ним прикреплены актиновые нити,
обеспечивающие сокращение мышцы, и если они повреждаются, то
сокращение не может происходить равномерно. В такой поврежденной
мышце начинаются воспалительные процессы: в мышечные клетки входят
моноциты, макрофаги, нейтрофилы, базофилы и прочие клетки иммунной
системы, основная задача которых ликвидировать последствия
повреждений и запустить процессы регенерации мышечной ткани.Хорошая
новость состоит в том, что мышечная ткань не просто
восстанавливается после повреждений, но и адаптируется к
повышенному уровню нагрузки. Внутри мышечных волокон растет число и
размеры митохондрий, которые генерируют энергию для работы,
увеличивается плотность капилляров и накапливается больше
креатинфосфата, гликогена и триглицеридов, а также миоглобина,
который удерживает кислород: все это позволяет мышце быстрее
производить энергию и меньше зависеть от анаэробных методов
получения АТФ, а значит мышца может дольше работать без образования
молочной кислоты и болевых ощущений. При получении микроповреждений
в мышце активизируются миосателлиты стволовые клетки, которые
присоединяются к поврежденным мышечным волокнам и формируют новые
миофибриллы: в результате мышца становится крупнее и может развить
большую силу, чем до тренировки. Эти эффекты сохраняются только при
регулярных тренировках: исследования показывают, что даже за две
недели без тренировок спортсмены-пауэрлифтеры теряют 12% мышечной
силы и 6,4% площади мышечных волокон II типа в сечении. Даже
несколько минут регулярных ежедневных силовых тренировок при
субмаксимальных нагрузках позволяют развить и поддерживать мышечную
силу.Сердечно-сосудистая системаСтенки сердца образованы волокнами
сердечной мышцы, которые выстелены соединительной тканью (снаружи
эпикардом, а внутри эндокардом), и пронизаны мелкими кровеносными
сосудами. Снаружи сердце окружает перикард околосердечная сумка,
которая отделяет сердце от других органов и не позволяет сердцу
слишком сильно растягиваться. Полость между перикардом и самим
сердцем заполнена жидкостью, которая облегчает трение между стенкой
сердца и окружающими тканями.Задача сердца обеспечивать ток крови
по сосудам, снабжая организм кислородом и питательными веществами и
позволяя удалять из клеток конечные продукты метаболизма3. По
малому кругу кровообращения кровь движется в легкие, где она отдает
углекислый газ и получает кислород, и из легких обратно в сердце;
по большому кругу кровообращения кровь движется к различным органам
и тканям тела, снабжая их кислородом и полученными по дороге
питательными веществами и забирая углекислый газ и прочие продукты
метаболизма, а затем возвращается обратно в сердце. Этот процесс
обеспечивается слаженной работой четырех отделов сердца двух
предсердий и двух желудочков: ритмичные сокращения сердечной мышцы
позволяют проталкивать кровь в нужном направлении. Предсердия по
венам получают кровь от других органов и перекачивают ее в
желудочки, а желудочки выталкивают кровь в артерии. Системы
сердечных клапанов не позволяют крови течь в обратном направлении:
из желудочков в предсердия и из артерий назад в сердце.Сердечная
мышца по своему строению отчасти похожа на скелетные мышцы, и ее
сокращения точно так же обеспечиваются скольжением активных и
миозиновых нитей, поэтому сердце может тренироваться точно так же,
как любая скелетная мышца. При систематических нагрузках сердце
становится крупнее и сильнее, что позволяет эффективнее
перекачивать больший объем крови, а значит тренированный человек
выдерживает более высокие нагрузки, поскольку его сердце может
обеспечить достаточный приток крови к мышцам, а в покое его пульс
замедляется по сравнению с пульсом у нетренированного человека,
ведь более мощному сердцу требуется меньше ударов, чтобы провести
через себя то же количество крови.При физической нагрузке мышцам
нужно больше энергии, а это значит, что им нужно получать больше
кислорода для производства АТФ в нужном объеме. Насытить кровь
кислородом еще больше невозможно: показатели насыщения крови
кислородом у здорового человека составляют либо 100%4, либо близкие
к этому показатели, то есть больше кислорода кровь переносить уже
не может. Это значит, что для снабжения мышц достаточным
количеством кислорода нужно прогонять через них больше крови; чтобы
решить эту задачу, при физических нагрузках повышается ударный
объем сердца (то есть сколько крови желудочек выбрасывает в артерию
за один удар) и частота сердечных сокращений (то есть как часто
сокращаются камеры сердца). Если в покое левый желудочек
выбрасывает в артерии большого круга кровообращения 4-6 литров
крови в минуту, то при интенсивной нагрузке это значение может
вырасти у нетренированного человека до 22 литров в минуту, а у
тренированного до 30 литров в минуту.Сердце может само регулировать
частоту сердечных сокращений: у стенки правого предсердия
расположен синоатриальный узел, который состоит из небольшого числа
мышечных волокон, иннервированных нейронами вегетативной нервной
системы. Именно он является основным пейсмейкером, то есть задает
частоту сердечных сокращений: благодаря особому строению мембраны
клеток сердечной мышцы сигнал от синоатриального узла быстро
распространяется по всей мышце и обеспечивает слаженное сокращение
камер сердца в правильном порядке.Во время физических упражнений
мышцы начинают работать интенсивнее, и капилляры в них расширяются,
чтобы обеспечить большее поступление кислорода и увеличить
интенсивность газообмена: в результате к сердцу начинает подходить
больший объем крови, и верхняя полая вена на входе в предсердие
растягивается. Информация о растяжении вены передается со
специальных рецепторов в синоатриальный узел, и сердце начинает
сокращаться чаще, чтобы справиться с поступающим объемом крови. При
этом повышенный объем крови в самом сердце повышает давление на
стенки его камер, и на это сердце отвечает увеличением объема
крови, которое оно выталкивает за один удар: увеличивается ударный
объем сердца. Кроме этого, частота сердечных сокращений может
зависеть от непосредственного действия некоторых гормонов
адреналина, тироксина и других и других факторов вроде температуры
тела.Как сердце замедляет частоту сердечных сокращений? При
снижении интенсивности нагрузки снижается и давление на стенки
верхней полой вены, но при тех же темпах работы сердца стенки
аорты, которая находится в начале большого круга кровообращения,
остаются растянутыми. Барорецепторы в стенках аорты замечают это
растяжение и отправляют сигнал на снижение частоты сердечных
сокращений: в результате пульс постепенно замедляется.ЛегкиеДля
того, чтобы обеспечить достаточный приток кислорода к мышцам,
недостаточно только усилить работу сердца: нужно, чтобы легкие
успевали насыщать кровь кислородом в нужном объеме и забирать из
нее углекислый газ. За адаптацию легочной деятельности к текущим
задачам отвечает дыхательный центр в продолговатом мозге: связанные
с ним нейроны иннервируют межреберные мышцы и диафрагму. Во время
вдоха реберные мышцы отводят ребра дальше от позвоночника, а
диафрагма опускается, что приводит к увеличению объема грудной
клетки. Давление в легких становится ниже атмосферного, и по
трубкам трахее, бронхам и бронхиолам в легкие поступает воздух. По
все более и более тонким трубочкам воздух поступает в альвеолы, где
происходит газообмен: кислород попадает в кровь, а из крови в
полость альвеол проходит углекислый газ. Затем диафрагма
расслабляется, ребра возвращаются на место, давление в легких
становится выше атмосферного, и воздух выходит из легких:
происходит выдох.Во время физической активности вместе с ускорением
производства АТФ в крови повышается концентрация побочных продуктов
этих реакций, в первую очередь углекислого газа. Кровеносная
система человека снабжена рецепторами, которые регистрируют
концентрацию CO2 в крови: если она растет, дыхательный центр
заставляет межреберные мышцы и диафрагму работать интенсивнее, и
дыхание становится более частым и глубоким. В результате легкие
успевают забрать из крови лишний углекислый газ и насытить ее
кислородом, чтобы мышцы могли продолжать работу.Эффективность
газообмена в легких определяется соотношением минутной вентиляции
легких то есть объема воздуха, который проходит через легкие в
течение минуты к потреблению кислорода. При умеренных нагрузках
легким нужно вдохнуть 20-25 литров воздуха, чтобы получить литр
кислорода, однако при возрастании нагрузок до субмаксимальных
эффективность работы легких снижается, и для получения литра
кислорода может быть нужно вдохнуть до 30-35 литров воздуха. Это
связано с тем, что дыхание при крайне интенсивных нагрузках
становится настолько частым, что легким не хватает времени для
полноценного газообмена, и чтобы получить нужное количество
кислорода, легким нужно больше воздуха.Межреберные мышцы и
диафрагма, как и любые другие скелетные мышцы, нуждаются в
кислороде для работы, поэтому часть полученного при вдохе кислорода
уходит на обеспечение энергией их самих. При умеренной физической
активности у здоровых людей на работу дыхательных мышц уходит около
3-5% поглощенного кислорода; у тренированных спортсменов при
максимальных нагрузках эти же мышцы могут поглощать до 15%
кислорода. Однако при различных проблемах с легкими этот показатель
может значительно повышаться: например, при хронической
обструктивной болезни легких [4] до 40% поглощенного кислорода
может уходить на обеспечение газообмена.Уровень общей физической
формы человека часто описывается показателем VO2max - то есть
максимальным количеством кислорода, которое может потреблять
организм при повышении уровня нагрузки. Этот показатель зависит не
только от работы легких, но и от состояния сердца (может ли сердце
обеспечить достаточный приток насыщенной кислородом крови к
мышцам), от транспорта кислорода из сосудов в клетки и от работы
митохондрий в мышцах. Именно из-за того, что на VO2max влияет так
много факторов, он используется как довольно универсальный
показатель того, насколько организм человека готов к нагрузкам.
Здоровому человеку с хорошей физической подготовкой для повышения
VO2max необходимо работать с довольно высокой интенсивностью -
соответствующие пульсовые зоны по формуле Карвонена будут
ограничены коэффициентами 0,8-0,9 - однако у нетренированного
человека даже умеренные нагрузки будут улучшать этот показатель за
счет укрепления сердца и развития скелетных мышц.Автор научной
инфографики: Татьяна ВасильеваИллюстратор: Екатерина
ЗолотареваЛитератураTuan RS, Chen AF, Klatt BA. Cartilage
regeneration. 2013Muscles, Part 1 - Muscle Cells: Crash Course
A&P #21 // YouTubeMuscella A, Stefno E, Lunetti P, Capobianco
L, Marsigliante S. The Regulation of Fat Metabolism During Aerobic
Exercise. 2020Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ).
ВОЗИсточникиExercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human
Performance (8th Edition) by William D. McArdle, Frank I. Katch,
Victor L. KatchReview. Use it or lose it: Multiscale skeletal
muscle adaptation to mechanical stimuli
