Глава 1. Физиологические аспекты развития силы и скорости
1.1. Физиологические особенности скоростных качеств
Скоростные сократительные свойства мышц в значительной мере зависят от соотношения быстрых и медленных мышечных волокон у выдающихся представителей скоростно-силовых видов спорта процент быстрых мышечных волокон значительно выше, чем у не спортсменов, а тем более чем у выдающихся спортсменов, тренирующих выносливость.
Количество мышечных волокон, толщина, состояние кровеносных сосудов в них и т.д. – функционально объединены в двигательные единицы (ДЕ), которые состоят из одного мотонейрона и группы иннервируемых им мышечных волокон. Состав различных мышц человека различается по количеству ДЕ – один мотонейрон может инвертировать от нескольких мышечных волокон до 2000. Количество волокон ДЕ в одной и той же мышце также не одинаково. Каждое мышечное волокно состоит из миофибрилл.
Мышцы, выполняющие «тонкую» и точную мышечную работу, например, мышцы глаз, пальцев рук и т.п., обладают большим количеством ДЕ (1500–3000), но состоят из малого количества миофибрилл (8–50). В противоположность им мышцы рук, ног или спины, выполняющие относительно более «грубые» и менее точные движения, но требующие большой силы, имеют гораздо больше ДЕ и состоят из большого числа миофибрилл: от 600 до 2000 (Карасев А.В., 1994; Смирнов В.М., Дубровский В.И., 2002).
ДЕ состоят из двух основных типов мышечных волокон, отличающихся сократительными и метаболическими свойствами:
- быстрые и сильные, но быстро утомляемые, или белые FT-волокна (Fast – быстрый, Twitch – сокращение) – быстросокращающиеся (БС);
- выносливые, но менее сильные и быстрые, или красные ST-волокна (Slow – медленный) – медленносокращающиеся (МС).
Медленносокращающиеся и быстросокращающиеся волокна имеют разную скорость возбуждения, сокращения и утомления. Так, скорость сокращения МС-волокон составляет более 110 мс, а БС-волокон – 50 мс. При одиночном сокращении «быстрые» мышцы сокращаются в 2–3 раза быстрее «медленных». При одном и том же диаметре нервных волокон возбуждение проводится с большей скоростью, если они иннервируют «быстрые» мышцы.
Соответствующие «быстрым» мышцам мотонейроны имеют большую частоту импульсации. Исследования позволили получить чрезвычайно интересные данные, показавшие, что после перекрестного хирургического переключения эфферентных нервов, идущих к «медленным» и «быстрым» мышцам, функциональные свойства мышц изменяются: «быстрые» мышцы становятся «медленными», и наоборот. Это дало возможность заключить, что функциональные особенности мышечных волокон являются лишь отражением свойств соответствующих мотонейронов (Зациорский В. М., 1965).
Отдельные типы волокон отличаются также механизмами энергообразования. Различают три типа мышечных волокон:
- медленные неутомляемые (окислительные 1 типа);
- быстрые неутомляемые (окислительные или промежуточные 2-а типа);
- быстрые утомляемые (гликолитические 2-б типа).
Медленные волокна 1 типа, или медленные окислительные, – это выносливые (неутомляемые) и легковозбудимые волокна, с богатым капиллярным кровоснабжением, обеспечивающим достаточное поступление кислорода в мышцы, с большим количеством митохондрий (энергетических центров), запасов миоглобина, гликогена, ферментов биологического окисления углеводов и жиров для процессов энергообразования (аэробных). Их в среднем у человека 50,4 %. Они легко включаются в работу при малейших напряжениях мышц, очень выносливы, но не обладают достаточной силой.
Все это свидетельствует о том, что в МС-волокнах преобладают аэробные механизмы энергообразования, которые обеспечивают выполнение длительной работы на выносливость. Мотонейрон, иннервирующий МС-волокна, имеет небольшое тело клетки и управляет относительно небольшим количеством мышечных волокон (10–180). Медленные мышечные волокна более приспособлены для обеспечения длительных, но менее мощных по силе мышечных усилий. В этих волокнах протекают процессы окисления, характеризующиеся высокой активностью окислительных ферментов, и имеют более высокое содержание жиров в виде триглициридов – субстратов окисления. По международной номенклатуре медленные волокна обозначаются как SO-тип (медленные, oxidative – окислительные). Чаще всего они используются при поддержании не нагрузочной статической работы, например, при сохранении позы.
Быстросокращающиеся мышечные волокна характеризуются большим количеством миофибрилл, высокой АТФ-азной активностью миозина и ферментов гликолиза, наличием значительных запасов гликогена. Они имеют слаборазвитую капиллярную сеть и небольшое количество кислородосвязывающего белка – миоглобина. В связи с этим ресинтез АТФ в таких типах волокон осуществляется за счет анаэробных механизмов энергообразования – креатинфосфатной реакции и гликолиза. Наличие указанных биохимических особенностей обеспечивает высокую скорость сокращения и быстрое утомление этого типа мышечных волокон. БС-волокна приспособлены к скоростной интенсивной работе относительно небольшой продолжительности. Их мотонейроны имеют большое тело клеток и сильно разветвленные аксоны, поэтому иннервируют от 300 до 800 мышечных волокон. Быстрые волокна составляют основную массу мышечных волокон у высококвалифицированных представителей скоростно-силовых видов спорта. В процессе тренировки эти волокна подвергаются более значительной гипертрофии, чем медленные, поэтому у спортсменов скоростно-силовых видов спорта быстрые волокна составляют основную массу мышц (или, иначе, занимают на поперечном срезе большую площадь) по сравнению с представителями других видов спорта, особенно тех, которые требуют проявления преимущественно выносливости.
Быстрые мышечные волокна имеют высокую активность анаэробных гликолитических ферментов, обеспечивающих использование внутримышечных энергетических субстратов, а поэтому они менее приспособлены для длительной работы, обеспечиваемой преимущественно аэробным (окислительным) способом энергопродукции. Не обладая большой выносливостью, эти волокна наиболее приспособлены для быстрых и сильных, но относительно кратковременных мышечных сокращений, обеспечивая выполнение кратковременной физической работы высокой мощности продолжительностью не более 4-х минут. По международной номенклатуре быстрые мышечные волокна ещё обозначаются как FG-тип (быстрые, Glicolysis – гликолитические).
Вместе с тем среди быстрых волокон выделяют подтип быстрых окислительно-гликолитических, по международной терминологии – FOG-тип. Эти волокна приспособлены к достаточно интенсивной окислительной (аэробной) работе с одновременным мощным гликометрическим энергообразованием, однако их окислительные возможности ниже, чем у медленных окислительных волокон. С функциональной точки зрения они рассматриваются как промежуточный тип между двумя основными FG – и SO- типами мышечных волокон (Захаров Е.Н, Сафонов А.А, 1994).
Быстрые утомляемые волокна 2-б типа, или быстрые гликолитические, используют анаэробные процессы энергообразования (гликолиз). Они менее возбудимы, включаются при больших нагрузках и обеспечивают быстрые и мощные сокращения мышц. Зато эти волокна быстро утомляются. Их примерно 31,1 %.
Быстрые неутомляемые окислительные волокна – это волокна промежуточного типа (2-а), их 18,5 %.
В среднем для разных мышц характерно различное соотношение медленных (1 типа) и быстрых (2-а и 2-б) мышечных волокон.
Скоростные сократительные свойства мышц в значительной мере зависят от соотношения быстрых и медленных мышечных волокон, у выдающихся представителей скоростно-силовых видов спорта (особенно у спринтеров) процент быстрых мышечных волокон значительно выше, чем у не спортсменов, а тем более – у выдающихся спортсменов, тренирующих выносливость.
Однако состав мышечных волокон в одной и той же мышце имеет огромные индивидуальные различия, зависящие от врожденных особенностей человека (Сологуб Е. Б., Таймазов В. А., 2000).
Комплектующий состав мышц определён генетически: в течение жизни общее количество и соотношение имеющихся в мышцах типов волокон не изменяется. Под воздействием тренировки может измениться толщина волокон всех типов, а значит, способность мышц к выполнению физической работы различной физиологической направленности.
Важнейшим физиологическим фактором, обусловливающим скорость движений, является подвижность нервных процессов. При высокой степени подвижности первичных процессов в корковых и других центрах возбуждение и торможение могут быстро чередоваться друг с другом. Тем самым создаётся возможность для быстрой смены сокращения и расслабления мышц.
Вместе с тем необходимо знать, что при выполнении серии движений с максимальной частотой, движущейся конечности (части тела) вначале сообщается кинематическая энергия, которая затем гасится с помощью мышц- антагонистов, и этому же сегменту передаётся обратное ускорение. С ростом частоты движений активность мышц может стать настолько кратковременной, что мышцы в какой-то момент времени уже не смогут за короткие промежутки времени полностью сокращаться и расслабляться. Режим их работы при этом будет приближаться к изометрическому, поэтому в ходе тренировок по развитию скоростных способностей необходимо работать не только над быстротой сокращения работающих мышц, но и над быстротой их расслабления. Под влиянием скоростных упражнений необходимо изменение функционального состояния нервно-мышечного аппарата. Об этом свидетельствуют изменения хроноксии различных мышц у лиц, занимающихся скоростными упражнениями (Фомин Н.А., 1973; Захаров Е.Н., Сафонов А.А., 1994).
Скоростные способности относятся к работе максимальной мощности, непрерывная предельная продолжительность которой даже у высококвалифицированных спортсменов не превышает 20–25 с. Естественно, что у менее тренированных людей эти возможности гораздо меньше. Ни одно движение не может быть выполнено без затрат энергии. Биологические возможности организма являются наиболее важным фактором, лимитирующим его физическую работоспособность. Образование энергии для обеспечения мышечной работы может осуществляться анаэробными (бес- кислородными) и аэробными (окислительными) путями. При анаэробной физической работе происходит повышение мощности креатинфосфокиназного (алактатного) и гликолитического (лактатного) механизмов энергообразования. При очень интенсивных физических нагрузках (максимальной и субмаксимальной мощности) основными в ресинтезе АТФ становятся анаэробные механизмы: алактатный при работе в течение 10–30 с и лактатный – в течение 30 с – 6 мин. В зависимости от биохимических особенностей, протекающих при этом, принято выделять три обобщенных энергетических системы, обеспечивающих физическую работоспособность человека.
- Алактатная, анаэробная, или фосфогенная, связанная с процессами ресинтеза АТФ преимущественно за счет энергии другого энергетического фосфогенного соединения – креатин фосфата (КрФ) – креатинфосфокиназный механизм ресинтеза АТФ (алактатный). Алактатный анаэробный механизм ресинтеза АТФ включает использование имеющейся в мышцах АТФ и быстрый ее ресинтез за счет высокоэнергетического фосфогенного вещества – креатинфосфата, концентрация которого в мышцах в 3–4 раза выше по сравнению с АТФ.
Креатинфосфат локализован непосредственно в сократительных нитях миофибрилл и способен быстро вступать в реакцию перефосфорилирования с участием фермента креатинфосфокиназы (КФК) согласно уравнению:
В скелетных мышцах человека КФК обладает высокой активностью, а КрФ и АДФ проявляют высокое химическое сродство друг к другу, что приводит к усилению этой реакции в самом начале мышечной работы, когда начинает расщепляться АТФ и накапливаться АДФ.
Максимальная мощность креатинфосфокиназной реакции развивается уже на 0,5–0,7-й секунде интенсивной работы, что свидетельствует о большой скорости развертывания, и поддерживается в течение 10–15 с у нетренированных, а у высокотренированных спортсменов может удерживаться 25–30 с.
Гликолитическая (лактацидная) анаэробная, обеспечивающая ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена или глюкозы до молочной кислоты (МК) – гликолитический механизм ресинтеза АТФ (лактатный). Как только в процессе анаэробной мышечной работы креатинфосфокиназный механизм перестает обеспечивать необходимую скорость восстановления АТФ в мышцах, в энергообеспечение работы вовлекается анаэробный гликолитический механизм ресинтеза АТФ:
В процессе гликолиза используются в основном внутримышечные запасы гликогена, а также глюкоза, поступающая из крови. Они постепенно расщепляются до молочной кислоты с участием многих ферментов. На максимальную мощность этот механизм выходит уже на 20–30-й секунде после начала работы, т.е. его скорость развертывания значительно меньше, чем креатинфосфокиназного. К концу 1-й минуты работы гликолиз становится основным механизмом ресинтеза АТФ. Однако при дальнейшей работе наблюдается снижение активности ключевых ферментов гликолиза под влиянием образующейся молочной кислоты или снижения внутриклеточного pH, что приводит к снижению скорости ресинтеза АТФ в этом механизме.
Аэробная (окислительная), связанная с возможностью выполнения работы за счет окисления энергетических субстратов, в качестве которых могут использоваться углеводы, белки, жиры при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах (Смирнов В.М., Дубровский В.И., 2000).
Для развития быстроты применяются упражнения кратковременного характера, поэтому рассмотрим лишь работу фосфогенной системы.
Фосфогенная система представляет собой наиболее быстро мобилизуемый источник энергии. Ресинтез АТФ за счет креатинфосфата во время мышечной работы происходит почти мгновенно. Эта система обладает наибольшей мощностью, по сравнению с гликолитической и аэробной, играет особую роль в обеспечении кратковременной работы предельной мощности, осуществляемой с максимальными по силе и скорости сокращениями мышц при выполнении кратковременных усилий «взрывного» характера, спуртов, рывков, спринтерского бега, прыжков, метания или ударов рукой и ногой в рукопашном бою и т.п. Наибольшая мощность алактатного анаэробного процесса достигается в упражнениях продолжительностью 5–6 с и у высокоподготовленных спортсменов достигает уровень 3 700 кДж/кг в минуту (Захаров Е.Н., Карасев А.В., Сафонов А.А., 1994).
Критерий мощности оценивает то максимальное количество энергии в единицу времени, которое может быть обеспечено каждой из метаболических систем.
Однако ёмкость этой системы невелика из-за ограниченности запасов АТФ и КрФ в мышцах. Вместе с тем время удержания максимальной анаэробной мощности зависит не столько от ёмкости фосфагенной системы, сколько от той её части, которая может быть мобилизована при работе с максимальной мощностью. Расходуемое количество КрФ во время выполнения упражнений максимальной мощности составляет всего лишь одну треть от его общих внутримышечных запасов. Как отмечает В.М. Клевенко (1968), продолжительность работы максимальной мощности обычно даже у высококвалифицированных спортсменов не превышает 15–20 с.
С энергетической точки зрения, все скоростно-силовые упражнения относятся к анаэробным. Предельная продолжительность их – менее 1–2 мин. Для энергетической характеристики этих упражнений используются 2 основных показателя: анаэробная мощность и максимальная анаэробная емкость.
Максимальная анаэробная мощность.. Максимальная для данного человека мощность работы может поддерживаться лишь несколько секунд. Работа такой мощности выполняется почти исключительно за счет энергии анаэробного расщепления мышечных фосфагенов – АТФ и КрФ. Поэтому запасы этих веществ и особенно скорости их энергетической утилизации определяют максимальную анаэробную мощность. Короткий спринт и прыжки являются упражнениями, результаты которых зависят от максимальной анаэробной мощности.
Максимальная анаэробная емкость.. Наиболее широко для оценки максимальной анаэробной емкости используется величина максимального кислородного долга – наибольшего кислородного долга, который выявляется после работы предельной продолжительности (от 1 до 3 мин). Это объясняется тем, что наибольшая часть избыточного количества кислорода, потребляемого после работы, используется для восстановления запасов АТФ, КНФ и гликогена, которые расходовались в анаэробных процессах за время работы. Такие факторы, как уровень катехоламинов в крови, повышенная температура тела и увеличенное потребление кислорода, часть – сокращающимся сердцем и дыхательными мышцами, также могут быть причиной повышенной скорости потребления кислорода во время восстановления после тяжелой работы. Поэтому имеется лишь умеренная связь между величиной максимального долга и максимальной анаэробной емкостью.
В среднем величины максимального кислородного долга у спортсменов выше, чем у не спортсменов, и составляют у мужчин 10,5 л – (140 мл/кг веса тела), а у женщин – 5,9 л (95 мл/кг веса тела). У не спортсменов они равны, соответственно, 5 л (68 мл/кг веса тела) и 3,1 л (50 мл/кг веса тела). У выдающихся представителей скоростно-силовых видов спорта максимальный кислородный долг может достичь 20 л. Величина кислородного долга очень вариативна и может быть использована для точного представления результата.
По величине алактацидной (быстрой) фракции кислородного долга можно судить о той части анаэробной (фосфагенной) емкости, которая обеспечивает очень кратковременные упражнения скоростно-силового характера.
Типичная максимальная величина «фосфагенной фракции» кислородного долга – около 100 кал/кг веса тела, или 1,5–2 л кислорода. В результате тренировки скоростно-силового характера она может увеличиваться в 1,5–2 раза.
Наибольшая (медленная) фракция кислородного долга после работы предельной продолжительности, в несколько десятков секунд, связана с анаэробным гликолизом, с образованием в процессе выполнения скоростно- силового упражнения молочной кислоты (лактацидный кислородный долг).
Эта часть кислородного долга используется для устранения молочной кислоты из организма путем ее окисления до СО2 и Н2О и ресинтеза до гликогена.
Максимальная емкость лактацидного компонента анаэробной энергии у молодых нетренированных мужчин составляет 200 кал/кг веса тела, что соответствует максимальной концентрации молочной кислоты в крови около 120 % (13 ммоль/л). У представителей скоростно-силовых видов спорта максимальная концентрация молочной кислоты в крови может достигать 250– 300 мг%, что соответствует максимальной лактацидной (гликолитической) емкости 400–500 кал/кг веса тела.
Такая высокая лактацидная емкость обусловлена рядом причин. Прежде всего, спортсмены способны развивать наибольшую мощность работы и поддерживать ее дольше, чем нетренированные люди. Это, в частности, обеспечивается включением в работу большой мышечной массы, в том числе быстрых мышечных волокон, для которых характерна высокая гликолитическая способность. Повышенное содержание таких волокон в мышцах спортсменов – представителей скоростно-силовых видов спорта – является одним из факторов, обеспечивающих высокую гликолитическую мощность и емкость. Кроме того, в процессе тренировочных занятий, особенно с применением повторно-интервальных упражнений анаэробной мощности, по- видимому, развиваются механизмы, которые позволяют спортсменам «переносить» более высокую концентрацию молочной кислоты (и, соответственно, более низкие значения рН) в крови и других жидкостях тела, поддерживая высокую спортивную работоспособность.
Силовые и скоростно-силовые тренировки вызывают определенные биохимические изменения в тренируемых мышцах. Хотя содержания АТФ и КрФ в них несколько выше, чем в не тренированных (на 20–30 %), оно не имеет большого энергетического значения. Более существенно повышение активности ферментов, определяющих скорость оборота (расщепления и ресинтеза) фосфогенов (АТФ, АДФ, АМФ, КрФ), в частности миокенозы и креатинфосфокинозы.
Как известно, большая часть АТФ находится в мышечных волокнах, каких в мышце насчитывается тысячи. При одиночных сокращениях мышцы, даже если прилагаются предельные усилия, движения выполняются за счет синхронизации активности большого числа мышечных волокон, но все же какая-то часть их резервируется. Так, у нетренированных людей синхронизируется обычно не более 20 % регистрируемых импульсов, в малых мышцах – до 50 %. По мере роста тренированности способность к синхронизации значительно возрастает (Зациорский В.М., 1966). Внутримышечная координация также способствует увеличению скорости движения (мощности), так как при координированной работе мышц их усилия кооперируются, преодолевая внешнее сопротивление с большей скоростью. В частности, при хорошей мышечной координации сократительное усилие одной мышцы (или группы мышц) лучше соответствует пику скорости, создаваемой предыдущим усилием другой мышцы (или группы мышц). Скорость и степень расслабления мышц-антагонистов может быть важным фактором, влияющим на скорость движения. Если требуется увеличить скорость движения, необходимо выполнять в тренировочных занятиях специфические движения (такие же, как в соревновательном упражнении) со скоростью, равной или превышающей ту, которая используется в тренировочном упражнении.
Совершенствование внутримышечной координации за счет увеличения способности синхронизировать активность максимально возможного количества мышечных волокон с наивысшей степенью их напряжения при одиночном сокращении мышцы – это один из путей развития силы мышц.
