ROZDZIAŁ 1 FIZJOLOGICZNE PODSTAWY WYSIŁKÓW FIZYCZNYCH. ZMIANY TRENINGOWE W ORGANIZMIE CZŁOWIEKA Krystyna Nazar
Zdolność organizmu człowieka do wysiłku fizycznego
Termin "wysiłek fizyczny" oznacza nie tylko aktywność mięśni szkieletowych, ale również zmiany czynności narządów i układów współdziałających w zaopatrzeniu pracujących mięśni w tlen i substraty energetyczne oraz w usuwaniu ciepła i produktów przemiany materii z mięśni. Ważnym elementem wysiłku jest też aktywność procesów regulacyjnych zapobiegających zaburzeniom homeostazy ogólnoustrojowej i upośledzeniu zaopatrzenia mózgu w tlen i glukozę. Zdolność do wysiłku określa się poprzez: sprawność fizyczną, wydolność fizyczną oraz tolerancję wysiłkową.
Sprawność fizyczna
Pojęcie to obejmuje cechy motoryczne, takie jak szybkość ruchów, siła mięśni, gibkość (giętkość ciała, zwinność) i wytrzymałość. Zależą one przede wszystkim od właściwości układu ruchowego.
Duże znaczenie w kształtowaniu cech motorycznych ma częstotliwość impulsów nerwowych pobudzających mięśnie, szybkość przewodzenia tych impulsów i koordynacja ruchów. O wielkości maksymalnej siły mięśniowej decyduje zawartość białek kurczliwych w komórkach mięśniowych.
Natomiast szybkość skurczów mięśnia determinowana jest w znacznym stopniu przez zawartość w składzie mięśnia komórek (włókien) szybko kurczących się. Maksymalna szybkość skurczów, siła i moc generowana w czasie wysiłku zależą też od zawartości w komórkach mięśniowych łatwo dostępnych substratów energetycznych, takich jak fosfokreatyna i glikogen, umożliwiających natychmiastowy wzrost tempa uwalniania energii bez udziału tlenu. Duża zawartość włókien wolno kurczących się i szybko kurczących się oksydacyjnych sprzyja większej odporności na zmęczenie (wytrzymałości). W przypadku wysiłków długotrwałych pojęcie wytrzymałości jest równoznaczne z pojęciem ogólnej wydolności fizycznej (patrz dalej). Wśród cech motorycznych decydujących o sprawności fizycznej duże znaczenie ma też gibkość, która zależy od funkcji i ruchomości stawów oraz właściwości elastycznych więzadeł i innych elementów łącznotkankowych układu ruchowego, a także od stopnia otłuszczenia ciała.
Tabela 1.1. Typy włókien (komórek) mięśniowych
Włókna wolno kurczące się, czerwone
(włókna typu I, SO)
zdolność pozyskiwania energii w procesach tlenowych +++
zdolność pozyskiwania energii w procesach beztlenowych +
odporność na zmęczenie +++
Włókna szybko kurczące się oksydacyjne, czerwone (włókna typu IIA, FOG)
zdolność pozyskiwania energii w procesach tlenowych ++
zdolność pozyskiwania energii w procesach beztlenowych ++
odporność na zmęczenie ++
Włókna szybko kurczące się glikolityczne, białe (włókna typu IIX, FG)
zdolność pozyskiwania energii w procesach tlenowych +
zdolność pozyskiwania energii w procesach beztlenowych +++
odporność na zmęczenie +
Wydolność fizyczna
Wydolność fizyczna, zwana też ogólną wydolnością fizyczną, jest to zdolność do ciężkich i długotrwałych wysiłków bez głębszych zaburzeń homeostazy oraz zdolność szybkiej likwidacji zmian zmęczeniowych. Wydolność zależy w dużym stopniu od funkcji narządów i układów wspomagających działanie układu ruchowego.
W praktyce najważniejszym wskaźnikiem wydolności fizycznej jest maksymalny pobór tlenu (VO2max). Wśród czynników determinujących VO2max najważniejsze znaczenie ma maksymalna pojemność minutowa serca. Przeciętne wartości VO2max u młodych mężczyzn (20-25 lat) nieuprawiających sportu wynoszą w populacji polskiej 2,8-3,2 l/min (około 40 ml/kg/min), a u kobiet 2-2,5 l/min (30-40 ml/kg/min). U sportowców uprawiających wytrzymałościowe dyscypliny sportu VO2max mieści się na ogół w granicach 4,5-5,5 l/min (50-60 ml/kg/min), wyjątkowo przekracza 6,5 l/min, u kobiet uprawiających dyscypliny wytrzymałościowe przeciętne wartości wynoszą 3,0-3,5 l/min (50-60 ml/kg/min). Różnice w VO2max przeliczonym na masę ciała pomiędzy kobietami i mężczyznami związane są m.in. z większą zawartością tłuszczu u kobiet.
Wielkość VO2max zmienia się z wiekiem (rycina 1.1). Maksymalne wielkości osiągane są między 20. a 25. rokiem życia. Zmniejszanie się VO2max jest efektem biologicznego procesu starzenia się (m.in. zmniejszenia maksymalnej częstości skurczów serca, atrofii mięśni itp.), zmniejszania się aktywności ruchowej i przebytych chorób. U ludzi o przeciętnej aktywności obniżanie się VO2max wynosi około 1% na rok.
Maksymalny pobór tlenu uważany jest za dobry wskaźnik wydolności fizycznej, ponieważ określa zakres obciążeń, przy którym możliwe jest pełne pokrycie zapotrzebowania na tlen. Co więcej, odczucie ciężkości pracy i stopień aktywacji funkcji układu oddechowego i układu krążenia oraz wzrost temperatury ciała zależą od wielkości tzw. obciążenia względnego. Jest to stosunek zapotrzebowania na tlen podczas wysiłku do VO2max wyrażony w procentach. Obciążenie względne jest dobrą, jednak nie idealną miarą ciężkości wysiłku, ponieważ osoby o małej wydolności (VO2max < 30 ml/kg/min) gorzej tolerują długotrwałą pracę o takim samym obciążeniu względnym niż osoby o dużej wydolności. Istotne znaczenie ma także to, że podczas wysiłku o wzrastającym obciążeniu zapotrzebowanie na tlen wzrasta liniowo, natomiast zmiany wielu parametrów fizjologicznych nie mają przebiegu liniowego. Po przekroczeniu obciążenia równego 50-70% VO2max określanego jako próg anaerobowy dochodzi do szybkiego wzrostu stężenia kwasu mlekowego we krwi (rycina 1.2), wzrostu wentylacji minutowej płuc nadmiernego w stosunku do tempa pobierania tlenu, wzrostu stężenia we krwi katecholamin itp. Tak więc ważnym wskaźnikiem wydolności, chociaż rzadziej oznaczanym niż VO2max, jest także próg anaerobowy.
Tabela 1.2. Czynniki kształtujące wydolność fizyczną
zdolność pobierania tlenu przez organizm
sprawność regulacji temperatury ciała
wielkość zasobów węglowodanowych organizmu (zawartość glikogenu w mięśniach i wątrobie)
sprawność działania mechanizmów regulujących metabolizm oraz zdolność mięśni do utleniania substratów energetycznych
czynniki psychologiczne (motywacja, percepcja zmian zmęczeniowych, doświadczenie)
Tabela 1.3. Czynniki determinujące maksymalny pobór tlenu (VO2max)
Transport tlenu
- maksymalna wentylacja minutowa płuc
- maksymalna pojemność dyfuzyjna płuc
- maksymalna pojemność minutowa serca
maksymalna częstość skurczów serca
maksymalna objętość wyrzutowa
- maksymalny przepływ krwi przez mięśnie
- objętość krwi i stężenie hemoglobiny
Zużycie tlenu przez mięśnie
- liczba naczyń włosowatych oplatających komórki mięśniowe
- zawartość mioglobiny w komórkach
- liczba mitochondriów
- aktywność enzymów procesów utleniania
Rycina 1.1. Zmniejszanie się pułapu tlenowego z wiekiem u mężczyzn.
Tolerancja wysiłkowa
Tolerancja wysiłkowa oznacza zdolność do wykonywania wysiłków o określonym obciążeniu względnym (% VO2max) przez określony czas i w określonych warunkach, bez głębszych zaburzeń homeostazy (np. kwasicy, hipertermii) i niekorzystnych zmian w funkcjonowaniu różnych narządów.
U ludzi chorych i osób w starszym wieku często określa się tolerancję wysiłkową w celu oceny ich stanu zdrowia i sformułowania zaleceń dotyczących trybu życia lub obciążeń stosowanych w ramach rehabilitacji. Przykładowo u pacjentów z chorobą wieńcową określa się najwyższe obciążenie, które nie powoduje niedotlenienia mięśnia sercowego w ciągu 15 lub 30 min wysiłku, a u pacjentów z nadciśnieniem - najwyższe obciążenie niepowodujące wzrostu ciśnienia tętniczego powyżej 220/120 mmHg. Tolerancja wysiłkowa stanowi też podstawę określania dopuszczalności obciążeń wysiłkowych w pracy zawodowej.
Rycina 1.2. Zmiany stężenia mleczanu we krwi podczas wysiłku o wzrastającym obciążeniu.
Fizjologiczna klasyfikacja wysiłków fizycznych
Do podstawowych kryteriów podziału wysiłków należą: rodzaj skurczów mięśni, czas wysiłku i wielkość zaangażowanej masy mięśni (tabela 1.4). Miarą intensywności bezwzględnej wysiłków statycznych jest wielkość generowanej siły, a miarą intensywności względnej jest stosunek aktualnie generowanej siły do siły maksymalnego skurczu dowolnego danej grupy mięśni (maximal voluntary contraction, MVC) wyrażony w procentach (% MVC).
Tabela 1.4. Podstawowa klasyfikacja wysiłków
Rodzaj skurczów
Wysiłki statyczne (skurcze izometryczne)
Wysiłki dynamiczne (skurcze izotoniczne i auksotoniczne)
Czas wysiłku
Wysiłki krótkotrwałe (< 15 min)
Wysiłki o średnim czasie trwania (15-30 min)
Wysiłki długotrwałe (> 30 min)
Masa mięśni (% całkowitej masy mięśni)
Wysiłki lokalne (< 30% )
Wysiłki ogólne (> 30%)
Miarą intensywności wysiłków dynamicznych może być moc, czyli całkowity wydatek energii w jednostce czasu (wyrażony w watach, kJ/min, kJ/godz. itp.) lub odpowiadające mu zapotrzebowanie tlenowe (wyrażone w l/min). W badaniach klinicznych intensywność wysiłku często określana jest jako wielokrotność spoczynkowego tempa przemiany materii, a ściślej mówiąc - spoczynkowego pobierania tlenu. Ekwiwalentem spoczynkowego VO2 jest met (1 met = 3,7 ml O2/min/kg).
Obciążenie, przy którym osiągany jest VO2max, nosi też nazwę obciążenia maksymalnego, natomiast wszystkie obciążenia mniejsze od maksymalnego określa się jako submaksymalne, a większe jako supramaksymalne (rycina 1.3).
Rycina 1.3. Pobieranie tlenu przez organizm podczas wysiłku o wzrastającym obciążeniu. Linia przerywana oznacza zapotrzebowanie tlenowe przy kolejnych obciążeniach.
Klasyfikację wysiłków submaksymalnych w zależności od obciążenia względnego przedstawiono w tabeli 1.5. Klasyfikacja ta odnosi się do zdrowych, młodych ludzi i odpowiada ich odczuciu ciężkości wysiłku. U ludzi w starszym wieku i chorych z przewlekłymi schorzeniami tolerancja wysiłków może być zmniejszona na skutek fizjologicznego procesu starzenia się i różnego typu zmian patologicznych, np. bólu wieńcowego, lub zmian ischemicznych w EKG pojawiających się przy małych obciążeniach. Generalnie u osób starszych i chorych przyjmuje się, że obciążenia powyżej 30% VO2max należy uznać za obciążenie duże.
Tabela 1.5. Klasyfikacja wysiłków submaksymalnych na podstawie obciążenia względnego
Wysiłki statyczne
Wysiłki dynamiczne
- lekkie (< 10% MVC)
- lekkie (< 30% VO2max)
- średnio ciężkie (10-20% MVC)
- średnio ciężkie (30-50% VO2max)
- ciężkie (20-30% MVC)
- ciężkie (50-75% VO2max)
- bardzo ciężkie (> 30% MVC)
- bardzo ciężkie (> 75% VO2max)
MVC - maksymalna siła skurczu dowolnego zaangażowanej grupy mięśni, VO2max - maksymalny pobór tlenu
W zależności od rodzaju procesów metabolicznych przeważających w pokrywaniu zapotrzebowania energetycznego wysiłki podzielić można na anaerobowe (beztlenowe) i aerobowe (tlenowe). Maksymalny czas trwania wysiłków anaerobowych nie przekracza 2-3 min. Należą do nich wysiłki statyczne o intensywności większej niż 30% MVC i wysiłki dynamiczne supramaksymalne.
Ważnym kryterium klasyfikacji wysiłków dynamicznych jest stosunek obciążenia do progu anaerobowego. Próg ten uważany jest za granicę między obciążeniami umiarkowanymi i dużymi.
Reakcje organizmu człowieka na wysiłek fizyczny
Reakcja układu oddechowego na wysiłki
Podczas wysiłku prawie natychmiast zwiększa się wentylacja płuc dzięki aktywacji ośrodków oddechowych przez impulsy pochodzące z ośrodków ruchowych kory mózgowej. Do przyspieszenia i pogłębienia oddechów przyczyniają się także odruchy z mechanoreceptorów mięśni i ścięgien oraz chemoreceptorów mięśniowych, a także wzrost stężenia we krwi CO2 i jonów wodorowych oraz wzrost temperatury ciała. Maksymalna wentylacja płuc waha się, w zależności od rozmiarów ciała, od 100 do 200 l/min. W spoczynku oraz przy umiarkowanych i lekkich wysiłkach stosunek wentylacji do pobierania tlenu wynosi 23-28. Przy obciążeniach 50-70% VO2max wentylacja wzrasta gwałtownie, a stosunek jej do pobierania tlenu rośnie powyżej 30. Obciążenie, przy którym następuje nieproporcjonalny do pobierania tlenu wzrost wentylacji, nosi nazwę progu wentylacyjnego. Próg ten pokrywa się na ogół z progiem anaerobowym. Progowi wentylacyjnemu towarzyszy progowy wzrost wydalania CO2 (VCO2) i ilorazu oddechowego (VCO2/VO2). Po przekroczeniu progu wentylacyjnego wzrasta szybko częstość oddechów, natomiast objętość oddechowa ulega ograniczeniu.
Maksymalna częstość oddechów osiągana podczas wysiłków wynosi 40-60 oddechów/min, a objętość oddechowa - 30-60% pojemności życiowej płuc. Odczucie duszności, które często występuje podczas ciężkich wysiłków, nie jest przejawem niedoboru tlenu, pojawia się ono zwykle wtedy, kiedy wentylacja płuc osiąga 50% maksymalnej dowolnej wentylacji i jest tym silniejsze, im mniejsza jest różnica między wentylacją aktualną a maksymalną dowolną.
U zdrowych ludzi wentylacja płuc osiągana podczas wysiłku na ogół jest niższa od maksymalnej dowolnej wentylacji płuc. Maksymalny pobór tlenu nie jest więc ograniczony przez niedostateczny wzrost wentylacji płuc. Ograniczenie takie może jednak wystąpić u osób z chorobami układu oddechowego lub u bardzo dobrze wytrenowanych sportowców pokonujących ekstremalne obciążenia.
Maksymalna wentylacja zmniejsza się z wiekiem. Zmniejszenie to sięga 20-25% pomiędzy 20. a 60. rokiem życia.
Tabela 1.6. Dystrybucja przepływu krwi (pojemności minutowej serca) w spoczynku i w czasie wysiłku
Spoczynek
Wysiłek
70%
VO2max
100%
VO2max
ml/min
ml/min
ml/min
Pojemność minutowa
5800
21 000
25 000
Mięśnie szkieletowe
1200
14 000
22 000
Mięsień sercowy
250
850
1000
Trzewia
1400
1050
300
Nerki
1100
730
250
Mózg
750
950
750
Skóra
700
3150
600
Inne narządy
600
620
100
