Виктор Николаевич Селуянов, МФТИ, лаборатория «Информационные технологии в спорте»
Физическая подготовка спортсмена направлена на изменение строения клеточных структур в тканях различных органов под влиянием тренировочного процесса. Физическая подготовленность, в частности, локальная мышечная выносливость требует регулярного контроля для планирования и коррекции тренировочных нагрузок.
Энергетический обмен в организме человека связан с процессами анаболизма, катаболизма и функциональным метаболизмом. Количественно энергетический обмен измеряют в единицах работы ккал и мощности ккал/час. Используются также кгм и кгм/мин. Однако, в настоящее время принято пользоваться международной системой единиц (СИ). Здесь работа измеряется в джоулях (Дж), а мощность в ваттах (Вт) (1 ккал = 4187 Дж, 1 кДж = 0,28 Вт = 0,239 ккал/час).
Функциональный метаболизм спортсмена связан с выполнением механической работы и затратами метаболической энергии. Поэтому при делении внешней механической мощности на метаболические затраты получается оценка коэффициента полезного действия. При педалировании на велоэргометре коэффициент полезного действия составляет 22–24 %, а при вращении рукоятки — 20–21 %.
Энергообеспечение зависит от мощности (интенсивности) выполняемой работы (Astrand P.— O., 1952, 1970, 1986). Максимальная мощность связана с затратами энергии молекул АТФ и КрФ и длительность этой работы не превышает 15–30 с. Если заданная мощность может поддерживаться 30–60 с, то говорят о преимущественной доле анаэробного гликолиза в энергообеспечении мышечной деятельности. Когда работа продолжается без снижения мощности более 1 мин., то говорят о преимущественном вкладе в энергообеспечение аэробного гликолиза или окисления жиров. В связи с этим Н. И. Волков (1990) предложил каждый механизм энергообеспечения характеризовать мощностью, эффективностью и емкостью.
Предложенный еще в 1955 г. Р-О. Астрандом способ оценки работоспособности спортсменов и представленный в России Н. И. Волковым (1969) и И. В. Ауликом (1990) явно устарел, поскольку модель, которой они пользовались, была очень простой. Старая модель не учитывает современных достижений физиологии человека, в частности, строения мышц, правила рекрутирования мышечных волокон и многого другого.
Устаревший вариант интерпретации метаболических процессов в организме человека представляется следующим образом. Алактатный механизм оценивается максимальной алактатной мощностью (мощность спринта длительностью 3–5 с), эффективность — коэффициентом полезного действия (КПД), емкость — запасами АТФ и КрФ. Здесь следует заметить, что эффективность алактатного механизма энергообеспечения зависит от активности работы ферментов — миозиновой АТФ-азы и КрФ-азы, деятельность которых зависит от температуры, степени закисления мышечного волокна. КПД зависит также от техники (Селуянов В. Н., Савельев И. А., 1982), например, при педалировании с темпом более 150 об/мин у велосипедистов КПД может доходить до 37 %, а у спортсменов, которые подпрыгивают на седле КПД может снизиться до 10 % (почти вся энергия будет тратится на подъем туловища). В связи с этим точно оценить эффектиность алактатного механизма невозможно. Емкость алактатного механизма, как правило, также оценить невозможно, поскольку все спортсмены достигают максимума мощности к 3–5 с, а затем мощность неизменно снижается. Методом биопсии было установлено (см. обзоры Hoppeler H., 1986; Karlsson J., 1971, 1981,1982), что у всех людей и спортсменов концентрации АТФ и КрФ примерно одинаковые и только временно можно увеличить запасы КрФ в мышечных волокнах с помощью приема за 30–40 мин до начала тестирования пищевой добавки — Креатинфосфат моногидрат, на 10–30 %. Через несколько часов концентрация КрФ в мышцах нормализуется (Rossiter H. et al, 1996).
Мощность механизма анаэробного гликолиза предложено оценивать с помощью упражнения, в котором предельная продолжительность равна 30–60 с. Например, Вингейт тест, длительность которого 30 с. В этом случае также можно дать иную интерпретацию, поскольку в 70-е годы не могли корректно оценивать вклад анаэробного гликолиза в метаболические затраты испытуемого при выполнении работы с околомаксимальной мощностью. Емкость анаэробного гликолиза оценивалась по величине кислорода, который был потреблен после выполнения требуемого тестового задания. Поскольку потребление кислорода приходило в норму после часа восстановления, то все избыточное потребление кислорода относят к алактатному и анаэробному гликолитическому долгу. В этом случае лактацидный долг оценивался в величину 16–20 л запроса кислорода. Эти оценки противоречат величинам кислородного запроса. Например, МАМ = 900 Вт, а мощность в Вингейт тесте составляет 80 % от МАМ или 750 Вт. Если КПД = 23 %, то 75 Вт соответствует 1 л/мин потребления кислорода. Следовательно за 30 с человек должен был потребить 5 л кислорода — это кислородный запрос, он значительно меньше величины потребления кислорода во время восстановления. Этот факт был обнаружен итальянским ученым Р. Маргариа еще в 70-е годы. Именно он стал утверждать, что емкость анаэробного механизма не может превышать более 4–5 л кислородного эквивалента. В представленном случае кислородный запрос обеспечивается энергией молекул АТФ и КрФ на 2 л, потреблением кислорода за время работы 1,8 л, тогда на анаэробный гликолиз остается только 1,2 л. Заметим, что в случае наличия 100 % окислительных мышечных волокон в активных мышцах анаэробного гликолиза вообще может не наблюдаться. Следовательно, упражнения с предельной продолжительностью 30–60 с позволяют оценить скорее уровень аэробной подготовленности мышц, поскольку в случае повышения аэробных возможностей мышц они меньше закисляются, при прочих равных условиях происходит рост средней мощности в данном задании, за счет поддержания мощности до конца задания (30 или 60 с).
Аэробные возможности оценивают по мощности или величине максимального потребления кислорода. Этот показатель с 80-х годов подвергается серьезной критике, поскольку на выборке спортсменов высокой квалификации практически теряет информативность. Потребление кислорода, мощность на уровне анаэробного порога являются более надежными и информативными показателями, поскольку позволяют с высокой точностью предсказывать спортивные достижения в циклических видах спорта. Эффективность аэробного механизма или КПД при работе на велоэргометре равен 23–24 % и не меняется, поэтому определение этого показателя такая же бессмыслица, как и во всех других случаях. Емкость аэробного механизма связана с запасами в мышцах гликогена и капелек жира. Запаса этих веществ у обычных людей хватает на 45–60 мин, а у спортсменов запасов может хватить на 1,5–3 часа (Физиология мышечной деятельности, 1982). Причем при регулярном приеме углеводов, по ходу выполнения упражнения, продолжительность упражнения многократно возрастает, как, например, у лыжников или велосипедистов (Алиханова Л. И., 1983). Следовательно, в спорте определение емкости не имеет никакого смысла с точки зрения успешности выступления спортсмена в соревнованиях, длительность которого не превышает 30 мин.
Таким образом, определение у спортсмена мощности, эффективности и емкости биоэнергетических механизмов по методике В. Н. Волкова не учитывает физиологические особенности реакции организма на выполняемую физическую работу. Например, невозможность перехода молекул АТФ или КрФ из одного мышечного волокна в другое, или из одной мышцы в другую. Поэтому при выполнении упражнений с использованием локальных мышечных групп, например, руками, оценки мощности, эффективности и емкости будут иными. Однако, проблема локальной работоспособности у биоэнергетиков пока не нашла интереса.
Тест 1. Проводится педалирование на велоэргометре с целью достижения максимальной работы за 30 с. Далее, в качестве основы для интерпретации, взяты классические представления из учебников по физиологии. Там пишется, что работа предельной интенсивности в 30 с обеспечивается на 90 % анаэробными источниками энергообеспечения и прежде всего анаэробнам гликолизом. Мощность 30 с предельной работы составляет около 60–80 % МАМ. Проверим эти представления на основе современной модели, имитирующей срочные адаптационные процессы. Предположим, что мощность составила 500 Вт, это, с учетом к. п. д. работы на велоэргометре 23 %, будет соответствовать 6,8 л/мин, а за 30 с 3,4 л кислорода. Известно, (Волков Н. И., 1969, 1990), что на долю алактаного долга приходится около 2,5 л, тогда 0,9 л долга должно распределиться между аэробным гликолизом и анаэробным гликолизом. Если в мышцах 50 % окислительных мышечных волокон и 50 % гликолитических, то аэробные процессы должны обеспечить 0,45 л кислородного запроса и 0,45 л на анаэробный гликолиз. Следовательно, доля анаэробного гликолиза составит не более чем 13 %, а этот тест характеризует мощность анаэробного алактатного механизма энергообеспечения, а также аэробного, поскольку, чем меньше закисляются мышцы, тем легче поддерживают мощность и силу сокращения. Известно, что ионы водорода могут присоединяться к активным центрам актина, в этом случае они мешают работе ионов кальция и поперечные мостики между актином и миозином не образуются, сила тяги начинает падать. Следовательно, чем меньше образуется ионов водорода тем легче поддерживать силу сокращения мышц. Такая ситуация складывается в случае, когда в ходе тренировочного процесса происходит трансформация гликолитических мышечных волокон в окислительные за счет увеличения массы митохондрий.
Таким образом, когда видишь в каких-либо публикациях мнение, что 30 с предельная работа характеризует гликолитическую анаэробную мощнось, читай — алактатная и аэробная гликолитическая мощность активных в упражнении мышц, в данном случае ног.
Тест 2. В тесте с выполнением трех одноминутных велоэргометрических предельных упражнений с одноминутными интервалами отдыха суммарную работу решили обозвать показателем анаэробной гликолитической емкости. Очевидно, что рост этого показателя может происходить только в случае увеличения алактатной мощности (МАМ) и аэробных возможностей мышц (потребление кислорода на уровне АнП), поскольку рост мощности анаэробного гликолитического источника энергообеспечения приводит к увеличению закисления мышц, а значит к ускорению наступления утомления.
Таким образом, когда пишут о гликолитической анаэробной емкости надо понимать, что речь идет об алактатной и аэробной мощности энергообеспечения активных в упражнении мышц, в данном случае ног.
Тест 3. В случае определения закисления крови после трех одноминутных велоэргометрических тестов можно определить показатель как частное от деления суммарной работы за 3 мин. на изменение закисление крови (рН). Этот показатель обозвали анаэробной гликолитической эффективностью, однако, смысл пересчета противоположный. Поскольку увеличение степени закисления приводит к снижению показателя и наоборот, увеличение аэробных возможностей не только к увеличению работоспособности (числителя) и к меньшей степени закисления (рН).
Таким образом, все три теста характеризуют одно и тоже, а именно уровень развития МАМ и аэробной мощности мышц ног, другими словами характеризуют локальную мышечную работоспособность (выносливость).
Тест 4. С помощью ступенчатого теста и газоанализатора можно определить величину максимального потребления кислорода или по данным PWC170 +30 % определить мощность близкую к мощности МПК. Этот показатель было принято определять как аэробная мощность. Очевидно, что это также ошибка интерпретации, поскольку величина потребления кислорода на мощности МПК складывается из нескольких составляющих, а именно, из потребления кислорода активными в данном упражнении скелетными мышцами, миокардом и дыхательными мышцами, остальные ткани и органы потребляют кислорода пренебрежимо мало. В связи с этим информативность показателя МПК исключительно низкая и не может на относительно однородной выборке характеризовать аэробную подготовленность спортсменов, уже более 15 лет как стало известно, что наиболее информативным показателем аэробных возможностей спортсменов является величина потребления кислорода, или скорости, или мощности на уровне анаэробного порога.
Тест 5. Аэробная емкость определяется как продолжительность выполнения упражнения критической мощности или МПК. Очевидно, что это упражнение будет выполнять дольше тот спортсмен, у которого потребление кислорода на уровне АнП будет ближе к МПК. Например, стайеры имеют мощность АнП на уровне 70–90 % от мощности МПК. Следовательно, этот показатель характеризует относительную величину мощности АнП.
Тест 6. В ступенчатом тесте можно определить зависимость между потреблением кислорода и выполняемой мощностью. Этот показатель называют аэробной эффективностью, однако, никакую эффективность этот показатель не может продемонстрировать, поскольку это отношение есть КПД работы на велоэргометре. КПД работы на велоэргометре составляет 22–24 % и не зависит ни от спортивной специализации, ни от спортивной квалификации. Поэтому показатель аэробной эффективности у некоторых «специалистов» меняется только от массы спортсмена, поскольку КПД делится на вес спортсмена.
Таким образом, все тесты, которые нашли применение в научных исследованиях и практике получили некорректную интераретацию. Главный результат нашей интерпретации один — все тесты характеризуют или МАМ или окислительного фосфорилирования мышц ног (потребление кислорода на уровне АнП) или в каком-то соотношении оба этих механипзма энергообеспечения, другими словами локальную работоспособность мышц ног (локальную выносливость).
ProSportLab