1.2. Физиология нервно-мышечного аппарата

Хорошо известное выражение «функция строит орган» означает, что работа положительно влияет на анатомическое строение и функциональное состояние органов, бездеятельное же состояние снижает их работоспособность.

Это хорошо видно на примере развития скелетной мышечной системы. Внешний вид человека определяется состоянием мышц, уровнем их развития и здоровья. Гармоничность развития мышечной системы говорит о прекрасном здоровье: рельефные мускулы, благородная осанка, грация движений являются составляющими красоты.

Мышечную ткань имеют в своем составе практически все внутренние органы (за исключением костей, жировой ткани и нервов). В человеческом организме имеются более 600 всевозможных мышц. От того насколько они хорошо работают зависит здоровье человека. При мышечной деятельности изменяется функциональное состояние центральной нервной системы (ЦНС) и значительно возрастают требования к функциям органов дыхания и кровообращения.

Существует три вида мышц: гладкие, скелетные и сердечная мышца. Гладкие мышцы входят в состав внутренних органов, в стенки кровеносных сосудов и кожу, работа которых не зависит от воли человека. Они очень выносливы и сокращаются медленно. Сердечная мышца состоит из поперечно-полосатых мышечных волокон. Они сокращаются очень быстро, работают так же, как и гладкие мышцы, без участия воли человека. Скелетные мышцы состоят так же, как и сердечная мышца, из поперечно-полосатых мышечных волокон, но их работа находится под волевым контролем. Они характеризуются тем, что быстро сокращаются и быстро утомляются.

Скелетные мышцы, как и любой орган, снабжены нервами и кровеносными сосудами. Они на 80 % состоят из воды. Мышечная ткань, из которой построена скелетная мышца, состоит из клеток, вытянутых в длину. Они получили название волокон. Толщина отдельного мышечного волокна составляет доли миллиметра, а длина достигает дециметра. Мышечные волокна собраны в пучок и окружены соединительной тканью, которая переходит в сухожилие. Мышечная клетка состоит из продольных темных и светлых мышечных волокон, которые чередуются друг с другом слоями. Благодаря этому создается поперечно-полосатая структура. Миоглобин, который содержится в волокнах, определяет красный цвет мышц. Миоглобин способен легко соединять и отдавать кислород мышцам. Это важно для процесса окисления, так как чем больше миоглобина в мышце, тем больше кислорода она может получить. Содержание миоглобина в мышце можно повысить с помощью тренировки.

Сокращение скелетных мышц возникает в ответ на нервные импульсы, идущие от нервных клеток-мотонейронов. Мышцы и мотонейроны составляют нервно-мышечный аппарат. Связь мотонейронов с мышцами осуществляется через аксоны, которые имеют множество концевых веточек, иннервирующих мышечные волокна. Мотонейрон, его аксон и все мышечные волокна, иннервируемые им, составляют двигательную единицу, которую представляет собой основной функционально-структурный элемент нервно-мышечного аппарата. Каждая мышца состоит из самых разных по размеру и по количеству двигательных единиц.

Форма и величина сокращения мышцы зависит от частоты нервных импульсов, количества включающихся в работу двигательных единиц, характера сопротивления мышц-антагонистов. Внешнюю механическую работу мышца производит в таком режиме, когда развивается как в режиме напряжения (растяжение), так и расслабления (укорочение). Исследования показали, что механическая работа, выполняемая мышцами, достигает максимальных величин при средних нагрузках [8]. Это явление получило название «закона средних нагрузок». Такая же закономерность существует и для скорости сокращения, т. е. наибольшая механическая работа выполняется мышцами при средних скоростях сокращения. Величины средних скоростей и средних нагрузок меняются в процессе тренировки и выполняются в динамическом режиме.

В изометрическом режиме работа мышц, с точки зрения механики, равна нулю. С физиологической же точки зрения в мышце происходит большая внутренняя работа, связанная с развитием и поддержанием напряжения, которое может быть измерено уравновешенным весом груза. Максимальное напряжение возбужденная мышца развивает в условиях изометрического режима, т. е. в тех условиях, когда она не может укоротиться и ее механическая реакция полностью выражается в развитии напряжения. Максимальное напряжение мышцы характеризует силу. Максимальная сила мышцы зависит от числа мышечных волокон, из которых состоит данная мышца и от толщины этих волокон. Толщина мышцы характеризуется как анатомический поперечник. Отношение максимальной силы мышцы к ее анатомическому поперечнику называется относительной силой мышцы. Увеличение мышечного поперечника в результате мышечной тренировки называется рабочей гипертрофией мышцы. Выделяют два основных типа рабочей гипертрофии мышечных волокон: саркоплазматический и миофибриллярный.

При саркоплазматическом типе утолщение мышечных волокон происходит за счет увеличения объема саркоплазмы (несократительной части мышечных волокон). При этом утолщении происходит повышение метаболических резервов мышцы: гликогена, креатин-фосфата, миоглобина и т. д. Значительное увеличение числа капилляров в результате тренировки в какой-то степени вызывает утолщение мышцы. Саркоплазматический тип рабочей гипертрофии мало влияет на рост силы мышц, но значительно повышает способность их к продолжительной работе, т. е. развивается выносливость.

Миофибриллярный тип рабочей гипертрофии связан с увеличением объема миофибрилл, т. е. собственно сократительного аппарата мышечных волокон. Мышечный поперечник может увеличиваться незначительно, так как в основном возрастает плотность укладки миофибрилл в мышечном волокне. Миофибриллярный тип рабочей гипертрофии ведет к значительному росту максимальной силы мышцы. Если при саркоплазматическом типе рабочей гипертрофии абсолютная сила мышцы совсем не изменяется или даже уменьшается, то при втором типе она существенно увеличивается [14].

Развитие рабочей гипертрофии определяется характером мышечной тренировки. Длительные динамические упражнения с небольшими нагрузками вызывает саркоплазматический тип мышечной гипертрофии. Упражнения с применением больших мышечных напряжений (более 60–70 % от максимально произвольной силы тренируемых мышечных групп) способствуют развитию рабочей гипертрофии миофибриллярного типа.

Мышечные волокна обладают разной скоростью сокращения. Характеристика скоростных сократительных свойств мышцы определяется соотношением двигательных единиц с разными скоростями сокращения. Большинство мышц по скорости сокращения являются смешанными, в них совмещены медленные и быстрые двигательные единицы. Соотношение быстрых и медленных двигательных единиц в разных мышцах может значительно отличаться. Так, в трехглавой мышце плеча человека только 2 % волокон имеют время одиночного сокращения, относящееся по скорости сокращения к медленному, тогда как в двуглавой мышце плеча таких волокон более 30%. Соответственно «среднее» время сокращения у двуглавой мышцы больше, чем у трехглавой.

Скоростные сократительные свойства мышц играют определенную роль в ряде характеристик мышечной деятельности. В частности, взрывная сила зависит от скоростных сократительных свойств мышцы. Чем быстрее сокращаются мышечные волокна, тем выше скорость движения.

Если между силой и скоростными свойствами мышц наблюдается простая зависимость, то между показателями мышечной силы и выносливостью существует сложная связь. Например, если между максимальной произвольной силой и статической выносливостью имеется прямая зависимость, то в относительных усилиях среднее предельное время работы (относительная выносливость) не отличается у людей с разной мышечной силой. Динамическая выносливость силы мышц зависит от специализации спортсменов. В иных случаях силовая выносливость практически не отличается, например, от выносливости рук у бегуна и человека, не занимающегося спортом.

Таким образом, можно говорить о высокой специфичности тренировочных эффектов. Больше всего повышаются функциональные показатели в тех упражнениях, которые являются основными в тренировке спортсмена. Тренировка, направленная преимущественно на развитие мышечной силы, совершенствует механизмы, способствующие улучшению этого качества, значительно меньше влияет на мышечную выносливость, и наоборот.

Мышечная работа требует энергии. Механическая энергия при мышечной работе берется из собственных резервов. Обмен энергии происходит в мышце двумя способами: сгоранием и расщеплением. Если в мышце имеется кислород, то энергия получается путем сгорания, в результате чего образуется углекислый газ и вода. Если работа очень тяжелая, при которой не хватает кислорода, энергия образуется путем расщепления богатых энергетических веществ в мышце. Таким образом, в мышце имеется два механизма химической реакции: сгорания и расщепления.

Когда кровь доставляет к мышце кислород, сгорание может происходить по тому же принципу, что и в автомобильном двигателе. Топливом служат углеводы и жиры. В организме происходит полное сгорание питательных веществ. При этом образуются углекислый газ, который транспортируется кровью к легким, и вода, которая выводится из организма через почки. Количество энергии, образуемой при сгорании питательных веществ, при участии кислорода больше, чем при его расщеплении до молочной кислоты, которая образуется при анаэробном режиме работы.

Схематически сгорание можно выразить так:

Углеводы

+ кислород СО₂ +Н₂О + энергия.

Жиры

Мышца может работать продолжительное время при обеспечении кислородом. Утомление наступает, когда сгорает топливо. Состояние мышцы остается постоянным, если сгорание происходит при постоянной доставке топлива и кислорода, и организм освобождается от продуктов распада. Транспортировка этих веществ осуществляется кровью.

В начале работы мышцам мгновенно требуется большое количество энергии. Необходимо определенное время, прежде чем дыхание и сердечная деятельность приспособились к рабочим потребностям, и началась доставка мышцам достаточного количества кислорода. В первые секунды работы используется кислород, который имеется в связанном состоянии с миоглобином мышц. Затем вступает в действие механизм расщепления. Когда снабжение мышц кислородом улучшится, большая часть энергии обеспечивается сгоранием. В покое и при длительной работе умеренной мощности механизм сгорания является доминирующим источником энергии. Если работа длится менее 2–3 минут и мощность ее достаточно высока, то потребление кислорода непрерывно растет с самого начала работы до конца и снижается только после ее прекращения. Если продолжительность работы больше и протекает равномерно, потребление кислорода, нарастая в первые ее минуты, в дальнейшем поддерживается на постоянном уровне. В организме накапливаются продукты распада, в частности, молочная кислота, которая ограничивает продолжительность работы.

При работе максимальной мощности освобождение энергии происходит за счет мгновенного расщепления содержащихся в мышце богатых энергией веществ на менее богатые. Последнее звено в этом расщеплении – гликоген, из которого образуется молочная кислота.

Механизм расщепления следующий:

Гликоген Молочная кислота + энергия.

Данный механизм происходит при кратковременной максимальной работе, где проявляются большие мышечные усилия. Преимущества механизма в том, что он происходит в самой мышце и возникает мгновенно. Недостаток заключается в накапливании молочной кислоты, причем скорость накапливания значительно выше, чем при работе большой мощности, и мышцам становится трудно сопротивляться воздействию кислой среды. В результате работоспособность значительно ухудшается. Молочную кислоту физиологи называют «токсином усталости». Молочная кислота, как уже говорилось, образуется в результате тяжелой работы. Из-за недостатка кислорода, поступающего в организм, питательные вещества расщепляются неполностью, т. е. молочная кислота является конечным продуктом гликолиза (процесса расщепления глюкозы).

Молочная кислота нарушает кислотно-щелочное равновесие в организме, от которого зависит протекание жизненно важных химических процессов (в том числе и в мышцах). Организм человека устроен таким образом, что безболезненно он может вынести не большое снижение кислотно-щелочного равновесия. Если в мышцах накопилось слишком большое количество молочной кислоты, то могут возникнуть повреждения мышечной ткани. Кроме того, может возникнуть сильный риск сердечно-сосудистой патологии и даже мозговых нарушений. Необходимо учитывать резервы организма.

Если нарушен правильный ритм физической нагрузки и отдыха, то в мышцах накапливается остаточное напряжение, из-за чего они становятся затверделыми, болезненными на ощупь. С накоплением усталости в мышцах появляются боли (чаще всего в спине). Поэтому важен полноценный отдых для мышц, который включает в себя: прогревание и расслабление, покой и массаж, сон и питание.

При планировании работы над мышцами необходимо особое внимание уделять мышцам туловища (спины, живота), затем мышцам ног и рук, стоп и кистей, мышцам лица.

Итак, привести мышцы в нормальное состояние можно с помощью занятий физической культурой. Только правильный двигательный режим способен поддерживать организм в нормальном физическом состоянии. Еще со школьной скамьи учат лишь укреплять, напрягать мышцы, но о расслаблении часто забывают. Считается, что боль после сильных физических нагрузок – свидетельство эффективности выполненного комплекса упражнений. Это неверное рассуждение. Боль возникает в результате микроскопических разрывов в мышцах, которые после заживления образуют рубцы. От этого пропадает эластичность мышц, они становятся более жесткими, огрубевшими, напряженными.

Больше всего страдают мышцы спины из-за неумения правильно их расслаблять. Между тем именно мышцы спины определяют состояние позвоночника, от которого зависит здоровье организма в целом. От напряжения мышц стягиваются и сдавливаются позвонки, вследствие чего страдают межпозвонковые диски, постепенно может развиться остеохондроз.

Чувствуя сильный дискомфорт от физического напряжения, многие бросают занятия физической культурой. Но от лежания на диване мышцы быстро начинают слабеть и теряют необходимый тонус. Получается, что ни постоянное бездействие, ни большие нагрузки не сулят здоровью человека ничего хорошего. Выход один: необходим индивидуальный подбор комплекса физических упражнений, не приносящий вреда здоровью. Работая над мышцами, стабилизируется весь организм: в норму приходят органы дыхания, кровообращения, пищеварения, эндокринная и нервная системы.

Контрольные вопросы

1. Какие функции миоглобина?

2. В чем различие гладких и скелетных мышц?

3. Из чего состоит двигательная единица?

4. От чего зависит сила мышц?

5. Какие физические упражнения вызывают саркоплазматический тип утолщения мышечных волокон?

6. В каких мышцах среднее время сокращения меньше: в разгибателях или сгибателях?

7. Между какими свойствами мышц наблюдается корреляционная связь?

8. При какой физической работе получается энергия путем сгорания?

9. Что вы знаете о «токсине усталости»?

10. Необходимые условия после длительного напряжения.

11. При каких нагрузках механическая работа достигает максимальных величин?