Новые подходы для оценки физической подготовленности спортсменов

Виктор Николаевич Селуянов, МФТИ, лаборатория «Информационные технологии в спорте»

Лабораторное тестирование

Для оценки работоспособности спортcмена необходимо выполнить оценку степени влияния центрального фактора (работоспособность сердечно-сосудистой системы) и периферического (сила, мощность, потребление кислорода отдельных мышечных групп).

Мышечный аппарат

Физические свойства мышц определяются количеством мышечных волокон, а в каждом мышечном волокне количеством миофибрилл, АТФ-азной активностью миозина, массой митохондриальной системы, запасами гликогена и жира. Запас молекул АТФ и КрФ обусловлен степенью гипертрофии мышечного волокна.

Метод определения количества миофибрилл

Для определения количества миофибрилл в данной мышечной группе обычно измеряют их максимальную изометрическую силу или максимальный вес, который могут преодолеть они. Более удобно оценивать состояние мышц на приборе, который используется и для оценки других характеристик состояния атлета. Таким прибором является велоэргометр.

Максимальная алактатная мощность (MAM) определяется на велоэргометре по величине установленного сопротивления (F, H) и максимальному темпу (R, 1/c) который достигается в ходе спурта.

МАМ = F×S×R (Вт).

S — расстояние которое проходит точка на окружности маховика велоэргометра (у Монарха это расстояние составляет 6 м).

Обычно максимальный темп наблюдается на 4–7 с спурта. Нагрузка подбирается такой, чтобы максимальный темп был около 120–140 об/мин (0,45–0,50 1/с).

Вращение педалей можно выполнять ногами (сидя в седле) или руками. В первом случае дается оценка, по терминологии ТиМФВ, скоростно-силовым возможностям мышц ног, во втором — рук и туловища. На самом деле тесты следует использовать для косвенной оценки степени морфологических перестроек в системах и органах тела спортсмена. В данном случае абсолютная величина МАМ определяется количеством миофибрилл и АТФ-азной активностью активных мышечных волокон. Если тестирование выполняется повторно, то изменения будут связаны только с ростом количества миофибрилл, поскольку АТФ-азная активность миозина наследуемый фактор.

Таким образом, контроль МАМ позволяет косвенно оценивать уровень силовой подготовленности мышц атлета или количество миофибрилл в активных, в данном тесте, мышцах, иначе говоря, локальную мышечную работоспосбность.

Метод определения митохондриальной массы

Митохондрии поглощают кислород, ионы водорода, АДФ, Ф, пируват или жирные кислоты, выделяют углекислый газ, воду, АТФ. Если масса митохондрий и фермента лактатдегидрогеназы сердечного типа (ЛДГ-С) преобладают в мышечном волокне, то такое волокно называют окислительным. В других мышечных волокнах преобладают ферменты гликолиза и лактатдегидрогеназы мышечного типа (ЛДГ-М), поэтому при их активации разворачивается анаэробный гликолиз, а мышечные волокна классифицируются как гликолитические.

Для определения мощности (массы) митохондриальной системы активных мышц применяется ступенчатый тест. При педалировании на велоэргометре с заданным темпом каждые 2–4 мин. увеличивают сопротивление. Увеличение сопротивления в заданных условиях означает рекрутирование мышечных волокон от окислительных к гликолитическим (точнее двигательных единиц иннервирующих мышечные волокна различного типа). После рекрутирования всех окислительных МВ начинают функционировать гликолитические МВ, в крови начинают накапливаться продукты анаэробного гликолиза — Н, лактат, СО₂, которые стимулируют деятельность сердца и органов дыхания. Этот момент определяется как аэробный порог и по силе сопротивления можно судить о силовых возможностях окислительных МВ, которая проявляется в аэробном режиме энергообеспечения. Дальнейшее увеличение сопротивления (мощности) приводит к моменту нарушения динамического равновесия, когда количество продуцируемого лактата активными ГМВ становится больше его потребления в ОМВ. Этот момент определяется как анаэробный порог и он характеризует максимальную мощность митохондриальной системы.

Таким образом по величине потребления кислорода или мощности на АнП можно судить о митохондриальной массе активных мышц, а по сопротивлению на уровне АэП о силе окислительных мышечных волокон. При контроле состояния бегунов и велосипедистов необходимо выполнять ступенчатый тест как для мышц ног, а для пловцов мышц пояса верхних конечностей.

Ударный объем сердца

Сердце выполняет функцию перекачивания крови. Его производительность зависит от ударного объема и частоты сокращений. Максимальный минутный объем сердца наблюдается при работе ногами и достижении 180–190 уд/мин, а ударный объем при ЧСС 120–150 уд/мин (Физиология мышечной деятельности, 1982). В ходе тренировочного процесса возможно управление только величиной ударного объема сердца (УОС), поэтому необходимо регулярно контролировать эту характеристику.

Для выполнения оценки УОС сначала вычисляют мощность (педалирования на велоэргометре или скорость бега на тредмилле), соответствую ЧСС 170 уд/мин по следующей формуле:

М170 = М1 + (М2 − М1)×(170 − ЧСС1)×(ЧСС2 − ЧСС1),

где М1 — мощность первой нагрузки;

М2 — мощность второй нагрузки;

ЧСС1 — частота сердечных сокращений на первой нагрузке;

ЧСС2 — частота сердечных сокращений на второй нагрузке.

Коэффициент полезного действия (КПД) при педалировании с темпом 60–90 об/мин составляет 19–24 %, в среднем 23 %. Это дает основание к вычислению потребления кислорода по мощности демонстрируемой на велоэргометре:

ПК = М₁₇₀/к,

где к = 78 Вт/л О₂.

Знание величины потребления кислорода позволяет (Аулик И. В., 1990) воспользоваться формулой В.Bevegard (1960,1963) для оценки минутного объема сердца:

МОС = 5,9×ПК + 4,36 (л/мин).

Если потребление кислорода было определено для ЧСС 170 уд/мин, то ударный объем сердца можно вычислить:

УОС = МОС/170.

Было замечено, что ударный объем сердца при работе руками, как правило, бывает меньше значения, регистрируемого при тестировании ног.

Состояние эндокринной системы

Смысл физической подготовки заключается в изменении строения клеток. Процессом синтеза управляют в клетках гормоны, путем воздействия на ДНК. В частности, тестостерон и соматотропин стимулируют синтез миофибрилл в мышечных волокнах. Тренер не может прямо контролировать концентрацию гормонов в крови, это требует специальной аппаратуры и препаратов, однако контроль за состоянием физической подготовленности (МАМ, мощность АэП) позволяет судить о ходе адаптационных процессов в железах эндокринной системы. Критерии здесь достаточно простые — изменения показателей состояния мышц. Эти критерии особенно хорошо работают когда ставится четкая задача тренировочного процесса, например, увеличение силы медленных мышечных волокон, тогда должно происходить увеличение мощности на уровне АэП. Если рост величин показателей наблюдается, то очевидно, что эндокринная система справляется с заданными нагрузками. В случае ухудшения показателей и самочувствия, при реализации заданной тренировочной программы, можно сделать вывод об отсутствии адекватного ответа со стороны эндокринной системы.

3.3. Определение степени влияния центрального или переферического лимитирующего фактора

По результатам тестирования определяли производные показатели, МПК, мощность на ЧСС 170 уд/мин и другие.

Пример экспериментальных данных представлен на рис. 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика уровня функциональной подготовленности борцов при выполнении тестирования ногами и руками.

Показатели	Ноги Х	Ноги Б	Руки Х	Руки б
Мощность, АеП, Вт	120	18	54	12
Относительная мощность АеП, Вт/кг	1,69	0,25	0,76	0,17
ЧСС АеП, Уд/мин	135	14	105	11
Мощность АнП, Вт	180	26	65	14
Относительная мощность АнП, Вт/кг	2,53	0,36	0,91	0,20
ЧСС АнП, Уд/мин	155	16	125	12
МАМ, Вт	685	31	584	28
МАМ/масса, Вт/кг	9,64	0,43	8,22	0,39
Мощность ЧСС170, Вт	230	28	165	23
Относительная мощность ЧСС170, Вт/кг	3,23	0,39	2,32	1,42
Мощность МПК, Вт	260	30	190	24
Относительная Мощность МПК, Вт/кг	3,66	0,42	2,67	0,33

В видах спорта. в которых для выполнения соревновательной деятельности требуется участие почти всей мышечной массы (лыжные гонки, плавание, академическая гребля, а также борьба) может возникнуть ситуация когда центральный фактор, состояние сердечно-сосудистой системы, становится лимитирующим. Для выявления этой ситуации были проведены исследования мышц ног и рук у борцов.

Рис. 1. Пример изменения ЧСС и легочной вентиляции при выполнении ступенчатого теста руками и ногами.

На рис. 1 видно, что у борца при работе руками и ногами ЧСС изменяется на первых ступеньках одинаково, затем кривая «ЧСС-мощность» при работе руками начинает ускоренно двигаться вверх, одновременно с этим происходит увеличение скорости легочной вентиляции. По этим отклонениям был обнаружен аэробный порог для рук. Частота сердечных сокращений у данного испытуемого изменялась линейно с ростом мощности упражнения до уровня аэробного порога, а затем ЧСС стала наростать более быстро. Легочная вентиляция изменялась криволинейно с ростом мощности. По первому излому на кривой «легочная вентиляция — мощность» фиксировался аэробный порог, по второму отклонению фиксировался анаэробный порог. Анаэробный порог определялся также по моменту пересечения кривой «легочная вентиляция — мощность» линии, изображенной на рисунке как прямая параллельная исходному направлению кривой «легочная вентиляция — мощность». Очевидно, что первый отрезок кривой «легочная вентиляция — мощность» характеризует интенсивность дыхания при окислении преимущественно внутримышечных жиров, при переходе на окисление углеводов интенсивность дыхания растет, что и вызывает ускорение легочной вентиляции. Третий участок кривой связан с еще большим ускорением дыхания, что вызывается началом анаэробного гликолиза в рекрутированных гликолитических МВ, появлением в крови ионов водорода, освобождением из крови углекислого газа (эксцесс СО₂). Избыточный углекислый газ крови начинает действовать на дыхательный центр, что и вызывает ускорение легочной вентиляции (Физиология мышечной деятельности, 1982).

В ходе экспериментов (табл. 1) было показано, что аэробные возможности мышц пояса верхних конечностей составляют 50–60 % от аэробных возможностей мышц ног. Примерно также соотносятся мощности, которые демонстрировали испытуемые при достижении ЧСС 170 уд/мин в случаях работы руками и ногами.

ЧСС на уровне АэП и АнП в случае работы руками также оказалась ниже при сравнении с данными полученными при работе ногами. Поскольку ЧСС составила 105–155 уд/мин, то можно сделать заключение, что возможности сердечно-сосудистой системы по доставке кислорода к мышцам выше аэробных возможностей мышц участвующих в тесте.

Суммарная мощность мышц рук и ног примерно равна мощности, которая наблюдалась (или могла наблюдаться) при достижении ЧСС 190 уд/мин (МПК).

Потенциальную возможность сердечно-сосудистой системы следует определять по линии, связывающей «ЧСС и мощность». По этой линии можно определить мощность и потребление кислорода в момент достижения ЧСС 190 уд/мин. На рис. 1 этот момент обозначен кружочком на пунктирной линии. Если бы у спортсмена масса окислительных мышечных волокон бала бы большая, то связь между «ЧСС и мощностью» до ЧСС 190 уд/мин оставалась бы линейной. В этом случае работоспособность ССС достигла бы своего максимума. Этот показатель можно обозвать как потенциально возможное потребление кислорода мышцами — МПК-потенциальное. Столько кислорода может доставить ССС к мышцам без излишней стимуляции сердца анаэробными метаболитами (Н, эксцессом СО₂).

Максимальная алактатная мощность при работе руками была на 10–20 % меньше чем при работе ногами.

Таким образом, по результатам обследования можно сделать следующие выводы:

— аэробные возможности мышц пояса верхних конечностей составляют 50–60 % от аэробных способностей мышц ног;

— мощность сердечно-сосудистоц системы по доставке кислорода к мышцам выше аэробных возможностей как мышц пояса верхних конечностей, так и мышц ног.

Метод Conconi

Conconi с соав. предложил в 1982 г. непрямой и неинвазивный метод определения анаэробного порога посредством измерения ЧСС в ступенчатом тесте на стадионе. Было обнаружено, что у квалифицированных бегунов кривая связи «ЧСС-скорость бега» имеет сигмовидную форму. Второй перелом на этой кривой совпадал с моментом появления анаэробного порога, т. е. при закислении крови до 4 мМ/л лактата.

В работе P. Hofmann et al. (Heart rate performance curve during incremental cycle ergometer exercise in healthy young male subjects. Med. And scince in sports and exercise, 1997, v. 29, n 6, PP. 762–768. ), было обследовано 227 спортсменов мужчин различных видов спорта (возраст 23, б = 4 г, рост 180, б = 6 см, масса 74, б = 8 кг. Все испытуемые выполнили ступенчатый тест с амплитудой ступеньки 20 Вт, длительностью по 60 с.

В результате оказалось, что все испытуемые были разделены на три группы. В первой группе (85,9 % испытуемых) скорость прироста ЧСС после АнП уменьшалась, во второй группе (6,2 %) скорость увеличения ЧСС не изменялась, в третьей группе (7,9 %) скорость изменения ЧСС становилась больше. По ЧСС, мощности, концентрации лактата достоверных различий между группами не было обнаружено. Однако, анализ представленных в статье данных показал, что АнП, фиксируемый по 4 мМ/л лактата наблюдался в первой группе на уровне 80 % от МПК (отказа от работы), а во второй и третьей группе на уровне 74 % МПК. Следовательно, если после наступления АнП в мышцах не остается мышечных волокон для рекрктирования, то мышцы и кровь мало закисляются, нет стимула для ускорения ЧСС. В том случае когда в мышце остается еще много нерекрутированных гликолитических МВ, то закислени растет, появляется эксцесс СО₂, имеется стимул для роста ЧСС.

Таким образом, эффект Conconi не является обязательным, а изменение ЧСС связано с наличием рекрутирования гликолитических мышечных волокон, чем больше их рекрутируется, тем больше закисление мышц и крови тем больше наростатет скорость изменения ЧСС.

Понятие — локальная мышечная работоспособность

Анализ кривых индивидуальных или мировых рекордов показывает, что во всех соревновательных упражнениях, выполняемых до 1 мин. 30 с, т. е. до достижения максимальной частоты сердечных сокращений, спортивные достижения определяются работоспособностью активных мышц. Центральное звено — производительность ССС не имеет принципиального значения. При выполнении соревновательных упражнений большей длительности центральное звено может иметь значение только в случае, когда порог анаэробного порога начинает приближаться к МПК потенциальному. На уровне высшего спортивного мастерства такая ситуация встречается часто. В этом случае спортсмену надо обеспечить дилятацию левого желудочка сердца и после этого лимитирующим звеном будет уже не «центральный», а «переферический» фактор.

Таким образом, локальная мышечная работоспособность (локальная выносливость) это способность человека выполнять предельную мышечную работу при адекватном (избыточном) снабжении ее кислородом или когда величина потребления кислорода не имеет существенного значения для обеспечения заданной двигательной активности.

Практически во всех случаях лимитирующим звеном в повышении спортивных достижений является локальная мышечная работоспособность, однако, проблема ее развития остается вне внимания исследователей. Больше рассуждают об общей работоспособности, общей алактатной, гликолитической и аэробной мощности. Причем все рассуждения строятся, в лучшем случае, на основе простейшей модели организма человека, которая включает в себя пул молекул АТФ и три четыре механизма для ресинтеза их: креатинфосфитный, анаэробный гликолитический (лактатный), аэробный гликолитический и окисления жиров. В такой модели нет конкретных мышц, нет мышечных волокон, нет никакой физиологии с ее законами.