Общие сдвиги в организме человека при мышечной деятельности
Тема 3 Общие сдвиги в организме человека при мышечной деятельности (Лекция 2 часа)
3.1. Сдвиги в скелетной мускулатуре
Источник всех физиологических сдвигов в организме человека лежит в изменениях, которые происходят в работающих мышцах, а именно энергетические превращения, требующие мобилизации энергетических резервов; образуется тепло, которое необходимо удалить из организма; появление продуктов обмена, подлежащих выведению из организма. Именно продукты обмена, поступающие в кровь, являются основными раздражителями, вызывающими рефлекторным и гуморальным путем соответствующие изменения в вегетативных системах (дыхание, кровообращение, выделение) и в регуляторных системах (ЦНС, железы внутренней секреции). В состоянии покоя обмен скелетных мышц невелик (24% основного обмена, 16 ккал/час, 0,3 ккал/мин.), а при максимальных нагрузках он может увеличиваться в 50 и даже 100 раз. Увеличение обмена, естественно, связано с увеличением кровотока (доставка кислорода, глюкозы, удаление продуктов обмена). В покое кровоток в мышце составляет около 4 мл/мин на 100 г. ткани, а при интенсивной мышечной работе возрастает до 100–150 мл/мин, т.е. в 25–30 раз. Это физиологический резерв, в значительной мере определяющий выносливость в мышечной работе. При этом абсолютный кровоток через мышцы может возрастать до 22 л/мин., составляя 88% от минутного объема крови.
Увеличивается проницаемость капилляров и число действующих капилляров. В покое на 1 мм2 скелетной мышцы приходится 35–85 действующих капилляров, а при работе – 2500–3000. Общая поверхность их в покое составляет 3–8 см2 на см2 мышечной ткани, а при работе 360–370 см2. Объем крови по отношению к объему мышцы возрастает с 0,02–0,06 до 5,5–15,0%.
Аэробный обмен, являющийся основным источником энергии, имеет 100-кратный резерв, за счет увеличения как кровотока, так и утилизации кислорода. На 1 г мышечной ткани приходится 8 x 10-6 моля АТФ, что достаточно для 30 одиночных сокращений или одного тетанического, продолжающегося 1 с.
3.2. Изменения в системе крови
Кровь, протекающая через работающие мышцы, обедневает кислородом и глюкозой, обогащается углекислотой и другими продуктами обмена и нагревается. Изменение ее состава и температуры является источником регуляторных влияний со стороны ЦНС и желез внутренней секреции на вегетативные системы.
Рекомендуемые материалы
При интенсивной работе рН крови уменьшается с 7,36 до 7,01 и даже 6,95. Способность поддерживать рН зависит от щелочного резерва крови, он больше у тренированных людей. Увеличивается вязкость крови от 10 до 80%. Снижается содержание глюкозы со 110 мг% до 40 мг%. Содержание кислорода в венозной крови падает с 11 до 8 об%. Количество молочной кислоты может возрастать с 10 до 200–250 мг%. В крови появляются продукты распада белков, недоокисленные продукты. Развивается так называемый миогенный лейкоцитоз. Величина его пропорциональна мышечной работе (до 300 % и более). Имеется три его фазы: 1) лимфоцитарная (количество лейкоцитов увеличивается до 10–12 тыс. в 1 мм3; 2) первая нейтрофильная (до 16–18 тыс. в 1 мм3) – через 1–2 ч. после начала длительной работы, появляются и увеличивается количество палочкоядерных лейкоцитов; 3) вторая нейтрофильная (до 30–50 тыс. в 1 мм3), юных форм – 6–8%, палочкоядерных – 20–25%, лимфоцитов – 5–10%, эозинофилы исчезают (это признак переутомления).
3.3. Изменения в сердечно-сосудистой системе
При интенсивной физической работе МОК крови возрастает с 4–5 л до 20 л у нетренированных и до 30–40 л у тренированных (резерв 4–10 раз). Увеличение МОК зависит от увеличения СО и ЧСС. СО увеличивается с 60 до 110–130 мл у нетренированных и до 150–200 мл у тренированных (резерв 2–3 раза). ЧСС с 60–70 до 160–180 уд./ мин. у нетренированных и с 40–60 до 220–240 уд./мин у тренированных (резерв 3–5 раз). МОК растет за счет увеличения СО до ЧСС, равной 130 уд./мин. Далее рост возможен только за счет увеличения ЧСС. ЧСС выше 200 уд./мин. обычно ведет к снижению МОК и ухудшению кровоснабжения сердца. В этом отношении высокая ЧСС для сердца не выгодна. Тренированное сердце отвечает в первую очередь увеличением СО, а нетренированное – преимущественно увеличением ЧСС. Максимальное артериальное давление изменяется от 110–120 до 200 мм рт.ст. при работе (т.е. в 2 раза), а минимальное от 80 до 40 мм рт.ст. (т.е. в 2 раза) при этом пульсовое давление с 40 возрастает до 140 мм рт. ст. (т.е. в 3,5 раза).
Увеличение пульсового давления улучшает кровоток через сердце, увеличивает градиент давления в большом круге, что улучшает кровоток. Время полного кругооборота крови (скорость кровотока) составляет 20–25 с, при тяжелой работе 8–9 с. Линейная скорость кровотока может возрастать в 5 раз. При работе так изменяется распределение тонуса кровеносных сосудов, что в работающих органах он понижается (в связи с чем увеличивается их просвет), а в неработающих повышается (просвет сосудов уменьшается). Поскольку мускулатура тела составляет 40 % его тканей и в ней наиболее разветвленная система сосудов, а системные вазоконстрикторы (симпатические) являются в мышцах вазодилататорами, расширение сосудов работающих мышц ведет к уменьшению общего периферического сопротивления.
Во время максимальной работы через мышцы до 88% крови проходит (в покое 21% – увеличение в 4 раза), через коронарные сосуды в покое и при работе 4% (250–1000 мл), через мозг всегда 750 мл, но в покое 13%, а при работе 3% (относительное уменьшение в 4 раза). В покое органы брюшной полости 24 %, почки – 9, другие органы – 10, кожа – 9, а при работе – кожа 2%, остальные органы по 1%. Резерв – уменьшение кровоснабжения органов брюшной полости в 24 раза, почек в 19 раз, других органов в 10 раз, кожи в 4 раза (абсолютная величина остается такой же как и при покое). В покое кровь отдает в капиллярах 40–45% содержащегося в ней кислорода, а при работе 70%. При этом развивается гипоксимия, за счет как более активного потребления кислорода тканями, так и недостаточного насыщения кислорода в легких за счет ускорения тока крови и прохождения части крови через артерио-венозные анастомозы (что облегчает работу правого предсердия и желудочка), минуя капилляры.
3.4. Изменения в системе дыхания
Наиболее ответственным процессом является обеспечение работающих мышц кислородом, так как коэффициент безопасности для кислорода, как и для глюкозы, равен 3, но в мышцах имеется значительный резерв гликогена, а резерв кислорода, связанного с гемоглобином, составляет 1,0 л. В покое организм потребляет 200–300 мл/мин, а максимальное потребление кислорода составляет 4–5 л/мин., т.е. резерв потребления кислорода при усиленном кровообращении и дыхании составляет 4–5 л/мин. (усиление в 20–25 раз), у нетренированных меньше (в 10 раз). Для обеспечения организма кислородом частота дыхания у нетренированных возрастает с 15–20 циклов/мин, а у тренированных с 6–8 циклов/мин до 100 и более циклов, а отдельный цикл возрастает с 0,5 до 1,5–2,0 л, т.е. частота дыхания возрастает примерно в 10 раз, а дыхательный объем в 3–4 раза. Это ведет к увеличению минутного объема дыхания до 100–150 (и даже 200) л/мин. у тренированных, и до 80 л у нетренированных. Однако при мышечной работе минутный объем дыхания не достигает максимальных величин, доступных данному лицу при кратковременной (15–30 с) работе и при произвольной вентиляции в покое. Хотя при работе дыхательный объем и увеличивается, он обычно не превышает 1/3–1/4 ЖЕЛ. При работе обычно вместо 3–4% потребления кислорода происходит усиление потребления кислорода из вдыхаемого воздуха до 4–5%. Для организма выгоднее более редкое и глубокое дыхание, так как в этих условиях лучше обеспечивается газообмен. При работе он возрастает в 20–30 раз. При глубоком дыхании увеличивается "эффективная" или "альвеолярная" вентиляция, т.е. уменьшается физиологическое "мертвое" пространство. При частом дыхании (поверхностном) оно увеличивается.
Гипервентиляция при интенсивной работе не вызывает апноэ, так как в крови находится избыток углекислоты. Мертвое пространство в покое составляет 150 мл, а при учащенном дыхании может возрастать в 2 раза, в связи с чем при частом поверхностном дыхании из минутного объема дыхания исключается большая часть как не участвующая в дыхании. Кроме того, при интенсивном дыхании до 200 мл кислорода поглощается каждую минуту дыхательными мышцами.
3.5. Изменения терморегуляции
Повышение температуры крови вызывает активизацию аппаратов терморегуляции при физической работе: расширение сосудов кожи (покраснение), усиление кровотока через них (большее при менее интенсивной работе), ведущее к увеличению ее температуры, и усилению потоотделения. При интенсивной мышечной работе теплопродукция увеличивается в 10–20 раз. Потери тепла через кожную поверхность составляют 82%, при дыхании – 12%. При испарении 1 г пота теряется 0,58 ккал, а выделение пота возможно до 2,0 л в час. При значительной и длительной работе возможно увеличение потоотделения до 12 л в сутки. При марафонских дистанциях возможно выделение с потом 2–4 г молочной кислоты, при этом выделяется 3–4 л пота. При 100 %-ной влажности воздуха потери тепла в связи с потоотделением не происходит. При вдыхании сухого и холодного воздуха у тепло одетого человека потери через органы дыхания могут быть в 16 раз больше потерь тепла через кожную поверхность. Теплоотдача при работе отстает от теплопродукции, так как химическая терморегуляция ограничивается или отсутствует. Поэтому при интенсивной работе температура тела повышается на 1–3 и даже 4 °С, что ограничивает работоспособность.
3.6. Изменения в системе пищеварения и выделения
Вам также может быть полезна лекция "35 Аналептики".
Кровоснабжение почек и органов желудочно-кишечного тракта во время физической работы уменьшается (первых в 19 раз, а вторых в 24 раза), что дает возможность увеличить кровоснабжение работающих мышц. В результате резкого снижения кровообращения функции желудочно-кишечного тракта и почек угнетаются, при этом резко уменьшается не только секреторная, но и моторная функция. Функция почек по поддержанию гомеостаза частично компенсируется потовыми железами, но полностью они компенсировать эту функцию не могут в связи с чем наблюдается некоторый сдвиг гомеостаза, особенно при предельной работе, когда кровоснабжение кожи также уменьшается. После бега на 400–800 м количество молочной кислоты в моче составляет 220–240 мг%, после бега на 3–5 км — 80–190 мг%, а при марафонском беге — 40–80 мг%. В моче возрастает содержание фосфора, уменьшается содержание натрия и появляются эритроциты и белок в связи с резким увеличением проницаемости капилляров Мальпигиевого клубочка.
3.7. Изменения в системе желез внутренней секреции
Наиболее существенные изменения во время физической работы наблюдаются в системе гипофиз–надпочечники. Интенсивная, в особенности длительная, работа вызывает усиление продукции адренокортикотропного гормона (АКТГ) в гипофизе и усиление продукции глюкокортикоидов, которые принимают активное участие в формировании стрессовой реакции. Но сама эта реакция развивается медленно и возможна при многосуточных тренировках. Наряду с усилением продукции глюкокортикоидов и частично минералокортикоидов наблюдается угнетение продукции гормонов щитовидной железы и половых желез.
Гормоны мозгового слоя надпочечников – адреналин и норадреналин – могут появиться в крови и при кратковременной работе, так как их выделение обеспечивается рефлекторной реакцией с участием симпатической нервной системы.
3.8. Изменения функций центральной нервной системы
Центральная нервная система активируется легкой работой и угнетается тяжелой. При напряженной работе кровообращение в мозгу остается тем же, что и в покое. При этом кровообращение в различных отделах мозга изменяется. Наиболее интенсивно снабжаются те отделы мозга, которые наиболее интенсивно работают: двигательные центры коры и подкорковых структур, а также спинного мозга; центры, обеспечивающие регуляцию вегетативных функций. При предельной по интенсивности работе может страдать прием и переработка информации настолько, что спортсмен теряет ориентировку в пространстве, перестает правильно воспринимать сигналы. Как и в целом организме, при предельной работе страдают в первую очередь второстепенные для данной ситуации функции ЦНС.