Количество кислорода, потребляемого легкими, прямо пропорционально количеству кислорода, используемому в процессах окислительного фосфорилирования. Это позволяет определять величину аэробного энергообразования по поступлению кислорода. Нормализация частоты дыхания и ЧСС происходит только после удовлетворения повышенных потребностей клеток в АТФ.
При потреблении одинакового количества кислорода объем выполненной работы станет бо льшим в том случае, если энергетическим субстратом будут углеводы, а не жиры. Углеводы являются более эффективным «топливом» по сравнению с жирами, так как на их окисление требуется на 12 % меньше кислорода в расчете на молекулу синтезированной АТФ. Поэтому в условиях недостаточного количества кислорода при физических нагрузках энергообразование происходит в первую очередь за счет окисления углеводов. Поскольку запасы углеводов в организме ограничены, ограничена и возможность их использования в видах спорта, требующих проявления общей выносливости. После исчерпания запасов углеводов к энергообеспечению работы подключаются жиры, запасы которых позволяют выполнить очень длительную работу. Учитывая, что жирные кислоты содержат большое количество энергии, весьма важно развивать способность организма спортсмена к более ранней их мобилизации для энергообеспечения работы. Для этого рекомендуется периодически применять в тренировке аэробные нагрузки. В качестве продукта окисления могут использоваться и белки, которые распадаются на аминокислоты, способные превращаться в глюкозу или другие метаболиты аэробного процесса окисления. Однако вклад белков в образование энергии при мышечной деятельности составляет всего 5-10 %.
Мощность аэробного энергообразования оценивается по величине максимального потребления кислорода (МПК), достигнутого при выполнении мышечной работы. У спортсменов эта величина составляет в среднем 5,5–6 л/ мин, а у не занимающихся спортом – 2,5–3,5 л/мин. Поскольку она отражает скорость потребления кислорода в работающих мышцах, а на скелетные мышцы приходится большая часть активной массы тела, то в целях сравнения аэробных способностей разных людей величину МПК обычно выражают в расчете на 1 кг массы тела. У молодых людей, не занимающихся спортом, МПК составляет 40–45 мл/кг/мин, у спортсменов в видах спорта на выносливость – 80–90 мл/кг/мин.
Максимальная мощность аэробного процесса достигается на 2-3-й минутах неинтенсивной работы и может поддерживаться до 15-30-й минуты. В более длительных упражнениях она постепенно уменьшается.
Наиболее интенсивно протекают процессы аэробного энергообразования в медленносокращающихся мышечных волокнах. Следовательно, чем выше процентное содержание таких волокон в мышцах, несущих основную нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше физическая работоспособность при продолжительной работе.
Метаболическая емкость аэробного механизма практически безгранична, поскольку имеются большие запасы энергетических источников, дающих большое количество образования АТФ. Так, при окислении 1 молекулы глюкозы в аэробных условиях образуется 38 молекул АТФ, тогда как в анаэробных – только 2 АТФ, а при окислении высших жирных кислот образуется еще больше энергии – 130 АТФ.
Эффективность энергообразования этого механизма также высокая и составляет около 50 %. Определяется она по порогу анаэробного обмена (ПАНО): у нетренированных людей ПАНО наступает при потреблении кислорода примерно 50 % от уровня максимального потребления кислорода, а у высокотренированных в видах спорта на выносливость – при 80–90 % МПК. Увеличение показателя ПАНО под влиянием специальной тренировки связано с повышением (адаптацией) возможностей кислород-транспортной системы, а также ферментативных, регуляторных и других систем.
Таким образом, в многоступенчатой дыхательной цепи наиболее эффективный процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода. Кислород способен окислять многие органические соединения и при этом выделять большое количество энергии в той мере, в какой это нужно организму, и улучшать физическую работоспособность спортсменов.
После окончания работы в мышцах начинаются восстановительные процессы. Восполняются до исходного уровня запасы АТФ, КрФ и гликогена. Удаляются продукты обмена (углекислый газ, вода, аммиак и т. д.). Идет подготовка к новой работе. Чтобы израсходовать в мышцах 1 г углеводов нужно 0,8 л кислорода, 1 г белков – 0,95 л, 1 г жиров – 2 л.
Не отрицая важности всех функциональных систем организма при увеличении аэробного компонента выносливости, следует сказать, что основная принадлежит кислородотранспортной.
Дыхание является одной из жизненно важных функций организма, направленной на поддержание оптимального уровня окислительно-восстановительных процессов в клетках. Дыхание – это сложный биологический процесс, который обеспечивает доставку кислорода тканям, использование его клетками в процессе метаболизма и удаление образовавшегося диоксида углерода.
Ритмическая последовательность вдоха и выдоха, а также изменение характера дыхательных движений в зависимости от состояния организма регулируются дыхательным центром, который находится в продолговатом мозге и включает центр вдоха, ответственный за стимуляцию вдоха, и центр выдоха, стимулирующий выдох. Легкие работают с очень большим резервом: в состоянии покоя у человека используется лишь около 5 % их поверхности, доступной для газообмена. Если функция легких или работа сердца не обеспечивает достаточной скорости легочного кровотока, то у человека возникает одышка.
Для развития спортивной работоспособности интерес представляют дыхательные мышцы, сокращения которых изменяют объем грудной клетки. Существуют два механизма, вызывающие изменение объема грудной клетки: поднятие и опускание ребер и движения купола диафрагмы. Дыхательные мышцы подразделяются на мышцы вдоха и выдоха.
Дыхание состоит из следующих основных этапов:
• внешнего дыхания, обеспечивающего газообмен между легкими и внешней средой;
• газообмена между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью;
• транспорта газов кровью;
• газообмена между артериальной кровью и тканями;
• тканевого дыхания.
Внутреннее, или тканевое дыхание можно разделить на два этапа:
• обмен газов между кровью и тканями;
• потребление клетками кислорода и выделение диоксида углерода.
Так как газообмен между воздухом и кровью осуществляется в альвеолах, важна не общая вентиляция легких, а вентиляция альвеол.
Максимальное количество кислорода, которое может связать кровь при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови. Она зависит от содержания гемоглобина в крови.
В митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию с различными питательными веществами – белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называется клеточным дыханием. В результате выделяется химическая энергия, которую клетка запасает в особом веществе – аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ).
Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени, поэтому, если энергия нужна срочно, то организм использует не жиры, а углеводы. Могут окисляться для энергетических нужд и белки, но лишь в крайнем случае, например при длительном голодании. Белки для клетки – это неприкосновенный запас.
Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. Кислород способен окислять многие органические соединения и при этом сразу выделять много энергии. Но такое количество энергии для организма было бы губительно. Роль дыхательной цепи и всего аэробного, т. е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы организм обеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями в той мере, в какой это нужно организму. Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса и гликолизом позволяет довести количество АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38. При гликолизе это соотношение было лишь 2:1. Таким образом, коэффициент полезного действия аэробного дыхания намного выше.
Борьба дзюдо характеризуется нестандартными ациклическими движениями переменной интенсивности, связанными с использованием больших мышечных усилий при активном противодействии противнику.
В ходе тренировочных занятий и соревновательных схваток происходят изменения в функциях газотранспортной системы.
При борьбе происходит очень большой расход энергии: за 1 мин он достигает в среднем 10–12 ккал и более.
Частота дыхания во время борьбы достигает 40–50 раз в мин. При этом ритм дыхания непостоянен: в моменты статических напряжений оно реже, а после схваток хорошо тренированные борцы могут регулировать дыхание. Общий кислородный запрос у борцов составляет около 16–37 л, потребление кислорода 1,8–2 л/мин. После схватки наблюдается кислородный долг, равный 25–43 % кислородного запроса. При борьбе возникает ряд положений тела, уменьшающих вентиляционные возможности легких, что ограничивает потребление кислорода.
У борцов наряду с развитием анаэробных возможностей большое значение имеет и повышение МПК. Так у квалифицированных спортсменов оно достигает 4,1–4,6 л/мин или 57 мл/кг/мин.
Кислородная потребность при борьбе может быть различной. Ее величина зависит от интенсивности работы. В связи с наличием статических напряжений во время схватки образуется кислородный долг, который может достигать значительных величин.
После тренировочных и соревновательных схваток отмечается увеличение в крови эритроцитов и гемоглобина. Количество лейкоцитов также увеличено. В связи с большим эмоциональным возбуждением борьба сопровождается значительным повышением уровня катехоламина и сахара в крови (до 150–180 мг %). Увеличено и содержание молочной кислоты (до 130 мг % и больше).
Мощность работы во время соревновательной схватки может быть оценена как субмаксимальная.
После интенсивной схватки увеличение ударного выброса происходит не за счет мобилизации роста остаточного диастолического объема крови, а в результате повышения сократительной функции миокарда.
При увеличении объема общих или специальных упражнений, выполняемых в основном в аэробном режиме, мобилизуются механизмы циркуляторной производительности и наблюдается увеличение конечного диастолического объема сердца.
Эффективность газотранспортной системы при развитии аэробного компонента выносливости можно определить по:
1) поступлению кислорода в организм путем газообмена в легких;
2) транспорту кислорода к работающим тканям;
3) утилизации диоксида углерода в тканях.
С учетом этих факторов состояние тренированности и высокий уровень спортивных достижений может быть охарактеризован тремя основными показателями:
1) величиной максимального потребления кислорода (махУО2);
2) уровнем анаэробного (лактатного) порога (ПАНО);
3) экономичностью движений.
Первые два показателя имеют чисто физиологическое значение и при правильном и целенаправленном построении тренировочного процесса обнаруживают выраженное увеличение. Экономичность движений чаще всего является врожденным качеством и настолько гармонична с точки зрения биомеханики, что позволяет спортсмену даже с менее высокими функциональными показателями демонстрировать отличные спортивные результаты. Экономичность движений определяется, в частности, скоростью сокращения и расслабления скелетной мускулатуры, быстротой проведения нервного возбуждения к мышцам и т. д.
Наиболее обобщенным показателем развития аэробных возможностей спортсмена служит величина максимального потребления кислорода, достигаемого в процессе выполнения работы. Будучи зависимым от целого ряда факторов: функциональной дееспособности, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, от объема и состава крови и особенностей утилизации кислорода в тканях, – этот показатель отражает состояние работоспособности организма на системном уровне. В видах деятельности, связанных с проявлением выносливости, физическая работоспособность растет вместе с увеличением аэробных возможностей. Это достигается путем направленной физической подготовки, которая ведет к существенной перестройке в деятельности ведущих функциональных систем организма, выражающейся в повышении производительности сердечно-сосудистой системы, расширении капиллярной сети работающих мышц, повышении производительности системы дыхания и т. п.
Чем выше величина максимально возможной скорости потребления кислорода, тем большую мощность работы может выполнять спортсмен в аэробных условиях.
Другим критерием общей выносливости является аэробная емкость, которая рассматривается как способность удерживать максимально долгое время состояние, при котором возможно поддерживать околопредельный уровень потребления кислорода. В качестве показателя емкости используют время удержания критической мощности или суммарное количество кислорода, поглощаемое за это время. Еще одним показателем аэробного механизма энергообеспечения является его подвижность (эффективность). Под этим понятием рассматривается время выхода организма на уровень максимального потребления кислорода. Более подготовленные спортсмены могут выходить на этот уровень за 2,5–3 мин, в то время как спортсмены низкой квалификации достигают максимального потребления кислорода только к 5–6 мин работы.
Величина максимального потребления кислорода характеризует суммарную мощность аэробных систем энергообеспечения во время максимальной физической нагрузки. Такой нагрузке соответствует максимальное значение ЧСС. Поэтому имеется четкая взаимосвязь между величиной максимального потребления кислорода и максимумом ЧСС. Учитывая высокую информативность и доступность в технике измерений показателя ЧСС, следует подробнее остановиться на вопросе его физиологической значимости.
Как уже отмечалось, большинство экспериментальных исследований, проведенных на спортсменах, показывают, что основной причиной, ограничивающей размеры аэробной работоспособности, является фактор сердечной производительности. Установлено, что минутный объем (МО) сердца увеличивается линейно с ростом уровня потребления кислорода или мощностью выполняемого упражнения.
Показано, что наиболее высокие величины сердечной производительности наблюдаются при достижении уровня максимума кислорода потребления. Увеличение тяжести работы выше этого уровня ведет к падению сердечной производительности и соответствующему снижению уровня потребления кислорода.
Частота пульса, так же как и величина минутного объема сердца, обнаруживает линейное увеличение с ростом мощности выполняемого упражнения. В момент достижения максимума аэробной производительности частота пульса устанавливается обычно в пределах от 170 до 190 уд./мин со средним значением 180 уд./мин. Дальнейшее повышение ЧСС является малоэффективным, т. к. при этом уменьшается ударный и минутный объем сердца. Интересно, что ЧСС на уровне максимального потребления кислорода не обнаруживает каких-либо специфических различий в зависимости от типа выполняемой работы или тренированности испытуемых. С увеличением мощности работы свыше уровня, который соответствует максимуму аэробной производительности, ЧСС все еще продолжает возрастать.
Такие производные ЧСС, как общая пульсовая стоимость работы (пульсовая стоимость + пульсовая сумма восстановления) и составляющие ее части, находятся в определенной зависимости от мощности выполняемого упражнения и уровня потребления кислорода при выполнении упражнения.
Ударный объем сердца (УО) – другой компонент сердечной производительности – растет асимптотически в ответ на увеличение мощности выполняемой нагрузки, достигая максимальных величин при ЧСС около 130 уд./мин. В диапазоне от 130 до 170 уд./мин УО сердца остается неизменным, но он понижается при более высоких значениях ЧСС. Это уменьшение УО зависит от ухудшения коронарного кровообращения из-за изменившихся условий механической работы сердца.
Непосредственно во время работы МО сердца при максимальном мышечном усилии может увеличиваться в пять раз. При этом ЧСС увеличивается в 2–3 раза, а УО возрастает с 60 до 150 мл.
Заслуживает специального рассмотрения еще один метаболический критерий выносливости, получивший за последние годы достаточно широкое применение в физиологии мышечной деятельности. Это так называемый анаэробный порог. Определение анаэробного порога заключается в нахождении таких «критических» значений мощности, выше которых энергетический запрос уже не может быть обеспечен только аэробным путем. При повышении интенсивности нагрузки выше анаэробного порога усиление гликолитического распада углеводов в тканях сопровождается образованием молочной кислоты. Включение анаэробных источников может быть установлено по увеличению лактата в крови выше некоторого базового уровня, составляющего около 4 ммоль/л. Значение конкретного уровня мощности, при котором начинает включаться анаэробный механизм с образованием лактата важно как для экспериментальных, так и для практических целей.
Получаемая при определении ПАНО физиологическая информация имеет значение для решения диагностических и прогностических задач в спортивной практике. Тренировка на выносливость ведет к увеличению как максимального потребления кислорода, так и порога анаэробного обмена.
Есть все основания полагать, что важным фактором, определяющим уровень анаэробного порога, является степень привычности к конкретной физической деятельности. Этот фактор может быть поставлен в прямую зависимость от развития адаптации в процессе тренировки. Он подтверждает то, что анаэробный порог отражает уровень функциональных возможностей в конкретной физической деятельности.
Помимо ограничения аэробных возможностей со стороны производительности сердечно-сосудистой системы, эти функциональные свойства человеческого организма ограничиваются также способностью к утилизации кислорода митохондриями скелетных мышц. Эта способность исчерпывается еще до того, как достигаются предельные возможности системы кровообращения.
Аэробная производительность поддается заметному развитию в процессе тренировки. Этому способствуют различные тренировочные программы, реализация которых связана с проявлением качества выносливости. Вместе с тем имеются сведения, что уровень аэробной производительности в значительной степени зависит также и от генетических факторов.
Проведенный обзор выполненных к настоящему времени исследований показывает, что для достижения высоких результатов в видах спорта со значительным проявлением выносливости требуется высокий уровень развития аэробных возможностей спортсмена.
2.2. Средства и методы, развивающие выносливость аэробной направленности
Основными средствами развития аэробной выносливости спортсменов являются: кроссовый бег, плавание, бег на лыжах, работа на велоэргометре или велокросс.
В процессе развития общей выносливости необходимо обеспечить тренировочные воздействия на факторы, которые ограничивают ее проявление:
• развитие мощности функциональных систем аэробного энергообеспечения. Обобщенным показателем является максимальное потребление кислорода (МПК);
• развитие емкости аэробного источника энергообеспечения. Характеризуется способностью человека по возможности дольше выполнять определенную работу на максимальном для этой работы уровне потребления кислорода;
• совершенствование подвижности функциональных систем аэробного энергообеспечения. Характеризуется уменьшением времени на развертывание работы систем аэробного энергообеспечения к максимальной их мощности;
• улучшение функциональной и технической экономичности. Характеризуется уменьшением затрат энергии на единицу стандартной работы;
• повышение мощности и емкости буферных систем организма и его реализационных возможностей. Характеризуется способностью человека переносить изменения во внутренней среде организма.
Наиболее эффективно указанные задачи могут быть решены методами непрерывного и повторного упражнения.
При определении длительности тренировочных заданий по развитию общей выносливости необходимо учитывать время и варианты образования энергообеспечения мышечной работы.
В зависимости от уровня тренированности спортсмена ЧСС находится в диапазоне от 155 до 170 уд./мин. Этот режим нагрузки целесообразно применять в работе с физически средне– и хорошо подготовленными спортсменами, которые прошли качественную подготовку в режиме собственно аэробного энергообеспечения.
Развитие общей выносливости целесообразно начинать с применения метода непрерывного стандартизированного упражнения. Оптимальная продолжительность упражнения от 35 до 90 мин. Подходить к оптимальной продолжительности непрерывной нагрузки нужно постепенно. Следует помнить, что усталость больше зависит от интенсивности, чем от продолжительности нагрузки. Поэтому сначала необходимо достичь должной продолжительности непрерывной нагрузки на нижней границе ее действенной интенсивности. Достигнув необходимой продолжительности нагрузки, постепенно повышают ее интенсивность до оптимального уровня, стараясь работать на уровне достижения ПАНО, а интенсивность работы должна быть на уровне 65–75 % максимальных показателей потребления кислорода.
Определение рациональной интенсивности нагрузки в необходимых границах потребления кислорода можно осуществлять по показателям ЧСС, поскольку известно, что между ЧСС в диапазоне от 120 до 170 уд./мин и потреблением кислорода существует линейная зависимость. При планировании интенсивности работы надо учитывать, что тренировочные нагрузки, которые вызовут возрастание ЧСС до 120–130 уд./мин, недостаточно активизируют функции сердечно-сосудистой и других вегетативных систем. Нагрузки, которые вызовут увеличение ЧСС свыше 170–180 уд./мин, резко стимулируют механизмы анаэробного энергообмена, что не оказывает содействия развитию общей выносливости и может вызвать перенапряжение сердечнососудистой системы.
Метод непрерывного прогрессирующего упражнения позволяет эффективно решать задачи развития аэробной выносливости. Наиболее эффективно совершенствуются реализационные возможности организма благодаря неуклонному возрастанию интенсивности нагрузки в ходе выполнения тренировочного задания. Интенсивность может возрастать плавно или скачкообразно в границах одной зоны энергообеспечения или в границах двух сопредельных зон.
Тренировочное влияние метода интервального упражнения состоит прежде всего в развитии подвижности, мощности и экономичности работы сердечно-сосудистой системы. Благодаря многократному повторению упражнения совершенствуется развертывание аэробного процесса энергообеспечения организма. В то же время влияние на развитие сердца происходит не столько во время рабочих фаз, сколько в интервалах отдыха, т. е. тогда, когда ЧСС снижается от 150–180 до 120–140 уд./мин. Это происходит вследствие того, что в процессе активного отдыха возникает сильное растягивающее воздействие на сердечную мышцу благодаря увеличению ударного объема крови. Наибольшее растягивающее воздействие наблюдается в первые 30–45 с отдыха, а в дальнейшем оно постепенно уменьшается и совсем исчезает при восстановлении ЧСС до 120 уд./мин. Именно поэтому для получения оптимального тренировочного эффекта следует четко придерживаться приведенных параметров нагрузки и отдыха.
В первой половине интервала отдыха (30–45 с), благодаря увеличению ударного объема крови, потребление кислорода бывает даже большим, чем во время самой рабочей фазы, поэтому пульс также достигает максимума в первой половине интервала отдыха. Дыхательный эквивалент наименьший также в интервале отдыха, что свидетельствует об экономизации системы дыхания.
Путем многократных повторных растягивающих воздействий в интервалах отдыха происходит постепенная адаптация сердца. Оно становится более мощным, способным перекачивать больше крови и поставлять больше кислорода к работающим мышцам.
Развитию общей выносливости целесообразно посвящать отдельные занятия. Но если ее развитие осуществляется в сочетании с решением других педагогических задач, это целесообразно делать во второй части занятия.
Оптимальное количество занятий в недельном цикле составляет от 3 до 4 и зависит от цели, с которой осуществляется развитие общей выносливости, индивидуального уровня физической подготовленности и т. п.
Восстановление после большой нагрузки по развитию общей выносливости может длиться до 2–3 суток. Поэтому в недельном цикле следует органично объединять тренировки с большими, средними и умеренными нагрузками.
Тренировочные программы составляются на 4–6 недель, а в дальнейшем систематически обновляются. Сначала достигают оптимального объема упражнений на нижней границе развивающей интенсивности. Далее, в соответствии с ростом тренированности, постепенно повышают интенсивность до оптимальной ее величины (ПАНО).
Для проверки эффективности средств, применяемых для развития аэробного компонента выносливости дзюдоистов, был проведен ряд экспериментов, в которых применялась нагрузка в течение 40 мин непрерывным методом выполнения следующими средствами:
• велокросс по пересеченной местности;
• плавание в 25-метровом бассейне;
• бег по пересеченной местности;
• лыжные гонки классическим стилем.