Биологические и физиологические механизмы развития выносливости

Любая деятельность человека связана с расходом энергии. Непосредственным источником энергии при мышечном сокращении, как известно, является расщепление АТФ. Содержание АТФ в клетках человека относительно невелико, но весьма постоянно. Расходуемые запасы АТФ должны быть немедленно пополнены, иначе мышцы теряют способность сокращаться. Восстановление (ресинтез) АТФ осуществляется за счет химических реакций двоякого рода:

1) дыхательных, идущих с участием кислорода – аэробных;

2) дыхательных, происходящих без кислорода – анаэробных.

Отражением аэробных процессов служит потребление кислорода во время работы. Максимальный объем кислорода, который способен потребить человек за одну минуту, характеризует его аэробную производительность (аэробные возможности). Анаэробные превращения приводят к накоплению в организме продуктов неполного распада. Эти продукты устраняются не только во время работы, но и в период отдыха после нее, что приводит к повышенному по сравнению с покоем потреблению кислорода в послерабочем состоянии. Этот излишек кислорода, получивший название «кислородного долга», служит мерой анаэробных реакций. Максимальная величина кислородного долга является показателем анаэробной производительности (анаэробных возможностей). Анаэробные возможности полностью характеризуют функциональный «потолок» энергетического обмена у данного человека − его общие энергетические возможности.

Аэробные возможности определяются совокупностью свойств организма, обеспечивающих поступление кислорода и его утилизацию в тканях. К таким свойствам относится производительность систем:

- внешнего дыхания (показатели: минутный объем дыхания, максимальная легочная вентиляция, жизненная емкость легких, скорость диффузии газов в легких и пр.);

- кровообращения (минутный и ударный объемы, частота сердечных сокращений, скорость кровотока);

- системы крови (содержание гемоглобина);

- тканевой утилизации кислорода, зависящей от уровня тканевого дыхания, а также слаженность в деятельности всех этих систем.

Окислительный механизм обеспечивает ресинтез АТФ в условиях непрерывного поступления кислорода в митохондрии мышечных клеток и использует в качестве субстратов окисления углеводы (гликоген и глюкозу), жиры и липиды (жирные кислоты) и частично белки (аминокислоты). Окислительный механизм позволяет выполнять мышечную работу в течение нескольких часов.

Анаэробные процессы включают два типа реакций. Первая из них − креатинфосфокиназная (связана с расщеплением КрФ), фосфатные группировки с которого переносятся на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), ресинтезируя ее в АТФ. Вторая – гликолиз, которая заключается в ферментативном расщеплении углеводов до молочной кислоты. Часть выделяющейся при этом энергии используется на восстановление запасов АТФ.

При напряженной мышечной деятельности различные энергетические механизмы (креатинфосфатный, гликолитический, дыхательный) по-разному вступают в работу.

Креатинфосфокиназная реакция достигает своего максимума уже на 2–3 - й сек работы, однако, поскольку запасы КрФ в клетке невелики, эта реакция начинает быстро ослабевает. Гликолиз развивается несколько медленнее. Максимальная его интенсивность наблюдается на 1–2 - й мин работы. Энергии гликолитического процесса может хватить на несколько минут напряженной деятельности. Наконец, дыхательные процессы разворачиваются полностью лишь к 3–5 - й мин работы. Это объясняет, почему в работах разной продолжительности столь различно соотношение анаэробных идыхательных процессов энергетического обмена. Чем длиннее дистанция при беге, тем большую роль играют анаэробные процессы и наоборот, с уменьшением дистанции возрастает значение сначала гликолитического, а затем и креатинфосфатного механизмов.

Аэробные и анаэробные возможности, определяемые по величинам максимального потребления О₂ и максимального О₂-долга, являются ведущим фактором, от которого зависит выносливость в напряженной мышечной работе^[67].

Установлено, что выносливость развивается лишь в тех случаях, когда в процессе занятий спортсмены испытывают определенную степень утомления. При этом организм адаптируется к подобному состоянию, что внешне выражается в улучшении выносливости.

Развитие процесссов утомления связано в первую очередь с увеличением мощности работы, а во вторую – с ее длительностью. Особенно быстро утомление развивается при нагрузках в пределах 50% МПК, причем в начале на исполнительском уровне, затем на межсистемном, и наконец – на центральном уровне^[68]. Без значительного, причем глобального утомления прогресс аэробной функции невозможен. Тренировка этой способности связана не только с совершенствованием механизмов кислородно-транспортной системы, но и с повышением устойчивости всех систем организма, включая нервные центры, к неблагоприятным сдвигам во внутренней среде организма, в частности, к нарушению температурного гомеостаза^[69].

Поскольку утомление при нагрузках разного типа неодинаково, важным становится вопрос о природе утомления.

При выполнении многих, в частности циклических упражнений, нагрузка относительно полно характеризуется следующими пятью компонентами^[70]:

1) абсолютная интенсивность упражнения (скорость передвижения);

2) продолжительность упражнения;

3) продолжительность интервалов отдыха;

4) характер отдыха (активный либо пассивный, формы активного отдыха);

5) число повторений упражнения.

В зависимости от сочетания этих компонентов будут различными не только величина, но и (главное) качественные особенности ответных реакций организма. Влияние названных компонентов на примере циклических упражнений будет следующим:

1. Абсолютная интенсивность (скорость) упражнения прямо влияет на характер энергетического обеспечения деятельности. При низких скоростях передвижения, когда расход энергии невелик и величина кислородного запроса меньше аэробных возможностей спортсмена, текущее потребление кислорода полностью покрывает потребности – работа проходит в условиях истинного устойчивого состояния.

2. Продолжительность упражнения определяется длиной преодолеваемых отрезков и скоростью передвижения по дистанции. Изменение продолжительности имеет двоякое значение. Во-первых, длительностью работы устанавливается, за счёт каких поставщиков энергии будет осуществляться деятельность. Если продолжительность работы не достигает 3–5 мин, то дыхательные процессы не успевают усилиться в достаточной мере и энергетическое обеспечение берут на себя анаэробные реакции.

3. Продолжительность интервалов отдыха играет исключительно большую роль в определении как величины, так и в особенности характера ответных реакций организма на нагрузку. При повторной работе воздействие, оказываемое на организм каждой последующей нагрузкой, зависит, с одной стороны, от предшествующей работы, с другой – от продолжительности отдыха между попытками.

4. Характер отдыха, в частности, заполнение пауз другими, дополнительными видами деятельности (например, включение бега «трусцой» между основными забегами), оказывает разное влияние на организм в зависимости от вида основной работы и интенсивности дополнительной. При работе со скоростями близкими к критической дополнительная работа низкой интенсивности даёт возможность поддерживать дыхательные процессы на более высоком уровне и избегать благодаря этому резких переходов от покоя к работе и обратно. В этом заключается одна из характерных сторон переменного метода упражнения.

5. Число повторений определяет суммарную величину воздействия нагрузки на организм. При работе в аэробных условиях увеличение числа повторений заставляет длительное время поддерживать высокий уровень деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем. В анаэробных условиях увеличение повторений рано или поздно приводит к исчерпанию безкислородных механизмов. Тогда работа либо прекращается, либо её интенсивность резко снижается.

В спортивной практике под общей (или аэробной) выносливостью понимают способность организма длительное время работать в условиях устойчивого потребления кислорода. Такая выносливость имеет место при работе с участием не менее 70% мышечной массы. Примером ее могут служить бег и плавание на длинные дистанции, лыжные и велосипедные гонки, гребля академическая и т.п. Успешная деятельность в этих видах спорта тесно связана с аэробными возможностями, т.е. способностью организма потреблять и усваивать необходимое количество кислорода. Показателем аэробной производительности служит величина МПК. Этот показатель чрезвычайно вариабелен и зависит от многих наследственных и средовых факторов. Увеличиваясь с возрастом, он остается большим у мужчин и тесно связан с весом тела (особенно мышечной массой), в определенной степени зависит от образа жизни, профессии, климато-географических условий, вида спорта и квалификации спортсмена. Наибольшие значения МПК характерны для спортсменов тренирующих выносливость к продолжительной работе большой мощности: стайеров, марафонцев, ходоков, лыжников, гонщиков, спортсменов-ориентировщиков, велосипедистов-шоссейников, пловцов-стайеров и т.д. Меньшее значение этого показателя у игровиков и представителей других спортивных дисциплин. Срочная адаптация организма к длительной работе аэробного характера зависит в основном от функционального состояния механизмов потребления, транспорта и утилизации кислорода.

Развивают аэробную производительность преимущественно двумя методами – равномерным и повторным. Равномерный метод чаще применяют на начальных этапах подготовки для снижения массы тела занимающихся, а повторный, как правило, используют для расширения аэробных кондиций. Вне зависимости от тех или иных методов для достижения программируемого тренировочного эффекта продолжительность аэробных упражнений различной мощности и модальности должна составлять в случае 100% прироста пульса – 10 мин, 75% − 20 мин, 50% − 45 мин, 25% − 90 мин.^[71]

Между длительностью и периодичностью занятий существует определенная зависимость (Табл. 4).

Таблица 4. Зависимость количества занятий от их продолжительности при развитии аэробной функции (H.G. Knuttgeh et al., 1973)

Количество занятий в неделю	Продолжительность занятий, мин	Общие затраты времени в неделю, мин

С позиций развития процессов долговременной адаптации квантование (дробление) нагрузок во времени, даже без изменения их мощности, обеспечивает более значительный кумулятивный эффект^[72]. Очевидно, по этой причине А.А. Виру и соавт.^[73] считают наиболее оптимальными 3–5-разовые занятия в неделю с небольшим объемом нагрузки. Другие^[74] предлагают ежедневные интенсивные нагрузки в течение 6 мин. При тренировках через день с мощностью работы на уровне 70% МПК их продолжительность должна составлять 15–20 мин, при двухразовых – не менее 45 мин. По мнению Pollok M.Z.^[75], двухразовые занятия эффективны только в том случае, если их продолжительность составляет не менее 90 мин, а минимальная пороговая интенсивность на уровне ЧСС 120 уд./мин. Американские специалисты^[76] рекомендуют три занятия в неделю по 45 мин с дискретными (8–12 мин) беговыми нагрузками и 4-х минутными интервалами отдыха. Постепенно, по мере адаптации организма, рекомендуют увеличивать скорость и длительность пробежек до 40 мин. По мнению авторов рекомендаций, тренировочный режим с ЧСС равной 150–165–185 уд./мин уже через два месяца систематических занятий повышает аэробную производительность соответственно на 10–25–40%. Другой американский специалист^[77] (E. Fox, 1981) оптимальной нагрузкой для существенного прироста МПК считает беговую дистанцию 5–8 км с периодичностью 4–5 раз в неделю в режиме 85–95% максимальных значений пульса.

Развитие аэробной выносливости с помощью упражнений различной модальности при соблюдении общих закономерностей имеет свою специфику, положительные и отрицательные стороны. Большинство исследователей и практиков считают ходьбу лучшим, по крайней мере для людей среднего и старшего возраста, средством развития аэробных кондиций. Индивидуальная скорость ходьбы зависит от длины и темпа шагов (Табл. 5).

Таблица 5. Индивидуальная скорость ходьбы в зависимости от ширины шагов и темпа
(Л.Я. Иващенко, Н.П. Страпко, 1988)

Ширина шага, см	Темп, шагов/мин	Скорость, км/ч	Ширина шага, см	Темп, шагов/ мин	Скорость, км/ч
					2.9
		2.5			3.4
		2.9			3.8
		3.2			4.3
		3.6			4.8
		4.0			5.0
		4.3			5.8
		4.7			6.2
		5.0			6.7
		2.5			3.2
		2.9			3.7
		3.4			4.3
		3.7			4.9
		4.2			5.4
		4.6			5.9
		5.0			6.5
		5.5			7.0
		5.9

Преимущество упражнений циклического характера заключается в их легкой дозировке по параметрам времени, скорости и величине реакции организма. Однако эта реакция при ходьбе, беге, передвижении на лыжах и велосипеде в значительной степени зависит от рельефа местности, характера грунта, температуры внешней среды, качества спортивного инвентаря, гигиенических свойств одежды и обуви. Занятия привязаны к метеоусловиям и недостаточно эмоциональны. Нагрузка (за исключением плавания и лыжных гонок) акцентируется в основном на крупных мышцах нижних конечностей и иногда не исключает длительных статических напряжений, например, при езде на велосипеде.

Длительное пребывание в согнутом положении, особенно в молодом возрасте, может вызвать нарушение осанки и обострение таких заболеваний как радикулит, варикозное расширение вен, геморрой и некоторых др. При рациональном сочетании динамических и статических нагрузок велосипедные прогулки являются весьма эффективным средством повышения аэробных кондиций, особенно у людей среднего и старшего возраста. Велотренажеры позволяют точно дозировать нагрузку и проводить занятия на ограниченных площадях и в любых метеоусловиях.

Ходьба на лыжах, в отличие от велоспорта, равномерно и активно нагружает динамической работой крупные мышцы всего тела. Тренировочный пульсовый режим при передвижении на лыжах, в зависимости от возраста и физического состояния, колеблется в достаточно широком диапазоне: от 80 до 170 уд./мин^[78].

Оптимальным средством развития аэробных кондиций является плавание, поскольку одновременно значительно укрепляет мышцы рук, плечевого пояса и спины.

Оптимальным средством тренировки аэробной функции у женщин является ритмическая гимнастика, включающая широкий спектр движений из основной и художественной гимнастики, акробатики и танцев. Регулярные занятия ритмической гимнастикой не только повышают аэробную производительность, но и укрепляют мышцы всего опорно-двигательного аппарата, формируют хорошую осанку, вырабатывают пластичность движений и грацию. Аэробной гимнастика становится тогда, когда движения выполняются достаточно интенсивно и слитно, без перерыва, в течение 25–60 мин.

Анаэробная выносливость характеризует способность человека выполнять работу субмаксимальной мощности за счет гликолитических источников энергообразования. Увеличиваясь с возрастом, эта способность достигает своего максимума у мужчин в 23 года, у женщин – в 18 лет, а после 30-ти снижается. Нетренированные люди способны выполнять работу субмаксимальной мощности не более 50 сек. Время работы зависит от способности индивидуума образовывать максимальный кислородный долг. У нетренированных людей этот показатель составляет 4–8 л, у спортсменов его величина в 2–3 раза выше и зависит от их специализации: у спринтеров этот показатель составляет 253 мл/кг, у средневиков − 305 мл/кг, у стайеров − 228 мл/кг^[79].

Для тренировки анаэробной (скоростной) выносливости применяют в основном два метода – повторный и интервальный. Первый заключается в повторном выполнении работы заданной мощности с определенными интервалами отдыха. При использовании второго метода эти интервалы сокращаются на заранее предусмотренную величину. Средствами тренировки обычно служат упражнения из основного вида спорта. Однако, когда эти упражнения нельзя использовать, они могут быть заменены и другими, не сходными по своей биомеханической структуре с основным упражнением. Это положение использовано в занятиях, где в качестве средств повышения анаэробной выносливости приводятся не только беговые упражнения, но и элементы подвижных и спортивных игр, эстафеты, различные прыжки и т.п. При этом мощность (интенсивность) нагрузок различной модальности должна находиться на уровне 90–95% от максимума. Если это бег, то рассчитывают его скорость; если прыжки, – их количество от максимально возможного темпа за 10 сек и т.п. Такие нагрузки вызывают сдвиг ЧСС до 185–190 уд./мин и для нетренированных мужчин (женшин) допустимы в течение 15–50 сек. В случае продолжения работы ее мощность (например, скорость бега) будет падать и, следовательно, удельный вес анаэробных источников энергообразования уменьшаться, а анаэробных, наоборот, возрастать. Как следствие, происходит прирост аэробной выносливости. Интервалы отдыха между отдельными упражнениями определяют временем восстановления пульса до 130 уд./мин, а между их сериями – до 90–100 уд./мин Естественно, у занимающихся различного пола, возраста и подготовленности время отдыха будет неодинаковым. В качестве отдыха может быть использован медленный бег, ходьба и т.п.

Развитие скоростной выносливости сопряжено со значительным напряжением организма, и занимающимся необходимо проявлять определенные, порой значительные волевые усилия. Поэтому в работе с малоподготовленным контингентом, особенно с женщинами и детьми, используют средства, вызывающие положительные эмоции (элементы подвижных и спортивных игр, эстафеты, соревнования и т.п.).

Основными видами спорта, совершенствующими скоростную выносливость, являются бег на дистанции 200–1000 м, плавание (100–400 м), короткие дистанции в лыжном и велосипедном спорте. Для начинающих несомненный интерес представляют спортивные игры: футбол, гандбол, баскетбол, хоккей и др.