26

Глава 1. Двигательные функции и физическое здоровье человека.

Двигательные функции, претерпевающие значительные измене­ния на протяжении индивидуального развития человека, оказывают существенное влияние на резервные возможности практически всех органов и систем организма. Это связано с тем, что эволюционно сложившаяся взаимосвязь мышечной и висцеральных систем определяет значение двигательной активности в развитии у человека функций дыхания, кровообращения и крови, обмена веществ и энергии, деятельности желез внутренней секреции и центральной нервной системы. Степень развития опорно-двигательного аппарата определяет также состояние функций всех сенсорных систем. Следовательно, значение двигательных функций человека в сохранении его физического здоровья сводится не только в их влиянии на работоспособность самих скелетных действиях опорно-двигательного аппарата на функции других органов и систем.

1.1. Анатомо-физиологические особенности двигательного аппарата человека в онтогенезе.

Возрастные изменения структуры скелетных мышц. В процессе развития человека до 18-20 лет суммарный вес мышечной массы увеличивается больше, чем вес других органов и тканей. У новорожденных детей вес мышц составляет около 23%, у 8 летних - он увеличивается до 27%, к 15 годам - достигает 32%, а в 18 лет - составляет 44% от общего веса тела. В дальнейшем, после стабилизации веса мышц в воз­расте от 18-20 до 35-40 лет, происходит снижение мышечной массы за счёт уменьшения диаметра каждого миоцита.

Рост отдельных мышечных групп и их активность в раннем онтогенеэе происходят не одновременно. В антенатальном периоде имеет место преобладание тонуса мышц сгибателей, проявляющиеся в согнутом положении конечностей и приведении головы к туловищу плода. Такое положение плода рефлекторно поддерживается раздражением кожных ре­цепторов этих мышц околоплодными водами и афферентными импульсами с проприорецепторов мыщц сгибателей, обладающих повышенной возбуди­мостью.

В процессе индивидуального развития мышечного аппарата челове­ка изменяется лишь микроструктура мышечных волокон. Мышечная компо­зиция, то есть процентное соотношение в мышце медленных и быстрых волокон определено генетически и на протяжении жизни остаётся прак­тически неизменной. Общее количество миоцитов в мышце также почти не меняется. Увеличение мышечной массы происходит, в основном, в ре­зультате увеличения размеров каждого миоцита. Площадь поперечного сечения мышечных клеток человека возрастает до 20-25 лет вследствие усиленного синтеза в них сократительных белков (миозина и актина), приводящего к значительному увеличению количества миофибрилл. Таким образом, в основе увеличения поперечника мышечных волокон у всех лиц лежит интенсивный синтез мышечных белков. Это подтверждается тем, что концентрация ДНК и РНК в растущей или гипертрофирующейся при трени­ровке мышце больше, чем в мышцах прекративших свой рост. Креатин, содержание которого в миоцитах увеличивается при субмаксимальных по силе сокращениях (около 80-90% от максимальной произвольной силы; МПС) стимулирует процессы синтеза сократительных белков в мышечных клет­ках (актина и миозина) и, таким образом, способствует увеличению массы мышечной ткани. Следовательно, причиной роста диаметра миоцитов, а значит и мышечной массы является её сокращение с усилиями 80-90% МПС.

В развитии мышечной массы важную роль играют андрогены (муж­ские половые гормоны). У мужчин они вырабатываются половыми желе­зами (семенниками) и в коре надпочечников, а у женщин только в коре надпочечников. У мужчин в любом возрасте концентрация андрогенов в крови больше, чем у женщин. Увеличение мышечной массы с возрастом (до 20-30 лет) идет параллельно с увеличением продукции андрогенных гормонов. Начальное заметное утолщение мышечных волокон наблю­дается в 6-7 летнем возрасте, когда усиливается образование андро­генов. В период полового созревания (II-I5 лет) происходит интенсив­ный прирост мышечной массы у мальчиков, который продолжается до пе­риода взрослых - 20-25 лет. У девочек в связи с меньшей концентра­цией в крови андрогенов увеличение мышечной массы происходит менее интенсивно и, в основном, заканчивается с периодом полового созре­вания. В увеличении мышечной массы у лиц обоего пола принимают учас­тие также гормоны роста - инсулин и тиреоидные гормоны.

Выше сказанное проявляется при сопоставлении диаметра мышеч­ных волокон в различные периоды онтогенеза. У новорожденных диаметр мышечных волокон составляет 6-8 мкм. К 3 годам он увеличивается до 12-16 мкм, к 7-до 22 мкм, к 12-16 - до 26-28 мкм. К 20-26 годам диаметр волокон становится максимальным - 40-45 мкм. К 50 годам он уменьшается до 20-26 мкм, а в 70 лет составляет лишь 20 мкм. В даль­нейшем он уменьшается до 10-20 мкм. При отсутствии специальной тре­нировки мышечной силы изменения МПС мышц с возрастом происходят парал­лельно с изменениями поперечных размеров мышечных клеток (а значит и мышечной массы). МПС возрастает до 30-35 лет, а затем постепенно уменьшается.

Возрастные особенности мышечной работоспособности. По мере раз­вития человека до 20-25 дет работоспособность его мышц повышается. Увеличивается продолжительность работы дозированной (в ВТ; КГм/мин) мощности, возрастает предельно возможная мощность работы. Так в частности, если максимальную работу, выполняемую на ручном эргографе детьми 7-9 лет принять за 100%, то её величина в 10-12 лет составля­ет 150%, в 13-15 лет – 250%, а к 18 годам - достигает 420%. На про­тяжении последующих 18-25 лет работоспособность мышц меняется мало, а затем у всех лиц начинает снижаться по сравнению с её величиной в возрасте 25-35 лет (в случае отсутствия тренировки).

Повышение с возрастом (от 5 до 35 лет) аэробной работоспособ­ности, т.е. работоспособности в условиях соответствующего нуждам метаболизма поступления кислорода обеспечивается развитием функций систе­мы кровообращения (предельно возможное увеличение МОК), дыхания (пре­дельно-возможные величины увеличения лёгочной вентиляции) и системы крови (возрастание от рождения до 16-18 лет концентрации гемоглобина в крови), а также способностью мышечных клеток утилизировать кисло­род благодаря увеличению плотности капилляров в скелетных мышцах, увеличению количества митохондрий в миоцитах и активности окислительных ферментов в них. Количественно это выражается в увеличении такого интегрального показателя физического состояния человека, как макси­мального потребления кислорода (МПК; л/мин или мл/мин/кг веса тела). Относительные величины МПК (мл/мин/кг веса) возрастают вплоть до 25-30 лет, а затем начинают уменьшаться, снижая тем самым способность длительно выполнять физическую работу.

В детском и юношеском возрасте аэробная и анаэробная (способность выполнять кратковременную работу без доступа кислорода) работо­способность меньше, чем у взрослых. Это проявляется в более низких по сравнению со взрослыми, предельно возможных продолжительностях и мощностях работы и в возможности у лиц до 20-30 лет меньше накап­ливать во время работы кислородный долг, то есть то количество кисло­рода, которое необходимо вернуть организму человека после работы за время периода восстановления. Как аэробная, так и анаэробная работо­способность достигают максимальных величин к 20-30 годам.

Развитие двигательных качеств у человека. Развитие основных двигательных качеств человека – силы, скорости, выносливости и координации движений происходит не одновременно.

Сила мышц. Максимально возможную силу сокращения мышца развивает при одновременном выполнении трех условий:

I) активации максимально возможного количества двигательных единиц (мышечных волокон) данной мышцы; 2) тетаническом сокращении двига­тельных единиц; 3) сокращение мышцы начинается при её исходной длине в состоянии покоя. Максимальная произвольная сила мышц человека (МПС) зависит от числа мышечных волокон, составляющих данную мышцу, и от их толщины. Число и поперечные размеры волокон определяют площадь поперечного сечения мышцы (её анатомический поперечник) и, в целом, её возможности развивать максимальную величину усилия - МПС. Измере­ние МПС у человека осуществляется при произвольном усилии мышц, то есть в тестах с заданием максимально сократить исследуемые мышцы. МПС зависит от двух групп факторов: мышечных (периферических) и регуляторных (центрально-нервных).

К мышечным (периферическим) факторам, определяющим МПС, относят: I) механические условия воздействия мышечной тяги (на кост­ные образования), т.е. плечо действия мышечной силы и угол приложения этой силы к костным рычагам; 2) длину мышцы, поскольку сила сокраще­ния её зависит от исходной длины; 3) площадь поперечного сечения ак­тивируемых мышц, так как при прочих равных условиях сила мышцы тем больше, чем больше её поперечные размеры; 4) композицию мышц, то есть соотношение в них быстрых и медленных мышечных волокон.

К регуляторным (центрально-нервным) факторам регуляции МПС относят механизмы внутримышечной и межмышечной регуляции.

Механизмы внутримышечной регуляции силы определяют число одновременно активируемых двигательных единиц (ДЕ), частоту импульсации двигательных мотонейронов спинного мозга данной мышцы, синхро­низацию активации различных ДЕ мышцы во времени.

Сила сокращения любой мышцы и их группы (в том числе и МПС) зависят также от совершенства нервной регуляции сокращения большого количества "смежных" мышц, то есть от совершенства межмышечной ко­ординации. Этот вид управления движениями человека заключается в адекватном выборе необходимых мышц-синергистов, в ограничении актив­ности "ненужных" мышц-антагонистов и в усилении активности мышц-анта­гонистов, обеспечивающих ограничение движения в смежных с обеспечива­ющими основную двигательную функцию суставах. Всё это осуществляется механизмами межмышечной регуляции двигательных функций.

Развитие мышечной силы в онтогенезе происходит неравномерно. На разных возрастных этапах наблюдаются периоды ускоренного прироста силы, замедления и стабилизации силы мышц. Увеличение силы у мальчи­ков обусловлено повышением у них концентрации в крови мужских половых гормонов-андрогенов (12-13 лет) приводящего к росту мышечной массы, с завершением формирования суставного связочного аппарата, с совершен­ствованием системы управления движениями. Степень прироста силы раз­личных мышечных групп зависит от возраста. Так в 6-8 лет наиболее интенсивно увеличивается сила мышц сгибателей бедра, туловища, сто­пы и предплечья. В пубертатном периоде возрастает сила мышц разгиба­телей. К 16-17 годам завершается развитие соответствия силы мышц сгибателей и разгибателей, характерное для взрослых людей.

Итак, увеличение мышечной силы зависит от пола человека. В воз­расте 7-8 лет мальчики и девочки имеют одинаковую силу большинства мышечных групп. В дальнейшем разница в силе мышц у мальчиков и де­вочек увеличивается и к 17-18 годам достигает максимума. Как уже отмечалось, это связано с тем, что у мальчиков с началом полового созревания (12-13 лет) в крови значительно возрастает концентрация мужских половых гормонов-андрогенов, стимулирующих синтез сократительных белков в скелетных мышцах.

Максимальные показатели силы мышц имеют место в возрасте 20-40 лет. После этого периода сила мышц начинает снижаться в результа­те уменьшения содержания в них сократительных белков, обеспечивающих силу сокращения каждой мышечной клетки и, следовательно, всей мышцы.

Скоростные качества мышц характеризуют их способность выпол­нять количество двигательных действий в единицу времени. Прежде всего, это качество определяется составом ДЕ мышцы, то есть процентом содержания в них быстрых и медленных ДЕ. Соотношение содержания в мышцах быстрых и медленных ДЕ определено генетически. Оно не изменя­ется с возрастом и не зависит от тренированности человека. Мышцы лю­дей, имеющих способности к скоростно-силовым видам спорта (спринтер­ский бег, прыжки и др.), имеют в своем составе не менее 60-70% быстрых сильных волокон. Степень развития скоростно-силовых качеств определяется также силой всей мышцы и центрально-нервными механизмами, оп­ределяющими скорость включения мышечных волокон в сокращение.

Скорость одиночных движений (например, при беге) увеличивается с возрастом и достигает максимума к 16-18 годам. Скоростные качества мышечных волокон находятся в прямой зависимости от активности в них миозин – АТФ-азы - фермента, расщепляющего АТФ и тем самым способствующего взаимодействию актиновых и миозиновых нитей мышечного во­локна. Чем выше активность миозин-АТФ-азы, тем быстрее образуются и разрушаются поперечные мостики между актиновыми и миозиновыми ни­тями и тем, следовательно, больше скорость сокращения волокна. Поэтому быстрые мышечные волокна с высокой активностью этого фермента со­кращаются с большей скоростью по сравнению с медленными. К 20 годам концентрация АТФ-азы в мышечных волокнах у человека достигает наи­больших величин. После периода некоторой стабилизации (20-30 лет) активность миозин-АТФ-азы начинает уменьшаться. Снижается при этом и скорость сокращения мышц. Это приводит к уменьшению скоростно-силовых качеств.

Быстрота двигательных действий, например, предельная частота шагов при беге на различных этапах онтогенеза помимо скоростных качеств мышц зависит также от степени функционального развития двигательных нервных центров.

Наиболее общим показателем изменения скорости движений с воз­растом является угловая скорость (град/с) сгибания и разгибания в су­ставах. Начиная с 4-5 летнего возраста (30-35 град/с) этот показа­тель возрастает, достигая максимальных величин в 20-30 лет (50-80 гр­ад/с), в 1,5-2 раза превышая его у детей 4-5 лет. До 40 лет быстро­та движений почти не меняется, а затем начинает плавно снижаться. В 70-80 лет она становится меньше чем у 8- летних детей.

Выносливость характеризуется способностью длительно выпол­нять мышечную работу без снижения её эффективности на фоне развива­ющегося утомления. Различают: силовую выносливость (способность мно­гократно развивать около и субмаксимальные по величине мышечные уси­лия); скоростно-силовую выносливость (возможность длительно выпол­нять скоростно-силовые упражнения большой мощности); статическую выносливость (способность продолжительно удерживать постоянное уси­лие); динамическую выносливость (характеризуется предельным временем выполнения ритмических сокращений); анаэробную выносливость (возмо­жность длительно выполнять мышечную работу при недостатке кислорода); аэробную выносливость (способность десятки минут выполнять интенсив­ные физические упражнения в аэробном режиме). При отсутствии специальных оговорок под выносливостью обычно понимают способность человека длительно работать в аэробном режиме. Силовая выносливость в наибольшей степени проявляется при удержании статических усилий. В этом случае её критерием является время удержания нагрузки до от­каза. Способность мышц удерживать статические усилия, равные 50% от максимальной производной силы (МПС), увеличивается с возрастом и достигает максимальных величин к 20-29 годам. Наиболее интенсив­ный прирост выносливости при удержании статических усилий происхо­дит в II-12 лет. Точные механизмы этого явления до конца не известны. Достигнув к 20-29 годам наивысшего уровня, в последующие годы этот вид выносливости снижается и к 70 годам составляет лишь 25-30% от имевших место максимальных величин. Это является основной причиной снижения работоспособности у лиц старше 50-60 лет.

Для оценки общей физической подготовленности человека и уров­ня его физического здоровья наибольшее значение имеют количествен­ные показатели аэробной выносливости. Объективным и высокоинформативным показателем выносливости является величина максимального потреб­ления кислорода (МПК) организмом человека за одну минуту. Определя­ют её путём прямого газоанализа при мышечной работе возрастающей мощности. В момент достижения МПК частота сердечных сокращений (ЧСС) достигает максимальных для каждого человека величин. Наличие прямой связи ЧСС с мощностью работы и величиной потребляемого кислорода позволяет использовать также ряд косвенных методов определения МПК, используя для этого данные о ЧСС при конкретных величинах мощности работы. Величины МПК выражают в л/мин (абсолютные величины) и в мл/мин на кг веса тела (относительные величины). В зависимости от пола, возраста, уровня физической активности МПК колеблется в очень широких пределах - от 25 до 85 мл/мин/кг веса тела. Чем больше МПК, тем вы­ше физическая работоспособность человека, тем выше уровень его физи­ческого здоровья.

Величину МПК определяют функциональные возможности и резер­вы всех физиологических систем организма человека. Именно поэтому ее и используют в качестве объективного интегрального показателя при оценке уровня физического здоровья человека. МПК зависит от со­стояния двух функциональных систем: I) кислородтранспортной системы, абсорбирующей кислород из окружающего воздуха (система внешнего ды­хания) и переносящей его к органам и тканям (кровь и система кровооб­ращения); 2) системы утилизации кислорода, то есть, в основном, мы­шечной системы, потребляющей доставляемый кровью кислород. Таким об­разом, МПК зависит от способности системы внешнего дыхания максималь­но увеличить лёгочную вентиляцию и диффузионной способности легких; объема циркулирующей крови и общего содержания в ней гемоглобина; работы всех звеньев сердечной сосудистой системы и, в первую оче­редь, величины предельного минутного объема кровообращения (МОК); регуляторных возможностей нейро-гуморальной системы перераспределять кровь в сторону наиболее активно работающих мышц; максимально возмож­ных величин кровотока через активные скелетные мышцы; особенностей работающих мышц, т.е. соотношения в них медленных и быстрых волокон, плотности капилляров, содержания митохондрий и активности ферментов окислительного ряда в мышечных волокнах. В соответствии с возрастными особенностями содержания гемо­глобина в крови, функций кровообращения и дыхания, изменениями энергетического обмена организма человека происходят изменения ве­личины МПК в процессе онтогенеза. До периода полового созре­вания (12-14 лет) между мальчиками и девочками в среднем нет разли­чий в абсолютных величинах МПК. После этого периода во всех возрас­тных группах МПК у женщин на 25-30% меньше чем у мужчин (Рис.1-1) Это, по-видимому, связано с тем, что у женщин меньшее содержание гемогло­бина в крови и больший процент жировой ткани. Наибольшие средние величины абсолютного и относительного МПК достигаются к 20-25 годам. Затем МПК постоянно снижается и в 60-70 лет составляет лишь 60-70% от МПК в возрасте 20-30 лет (Рис.1-1). На основе этих изменений МПК можно утверждать, что, начиная с 30-35 лет функциональные возможности не только нервно-мышечной системы, но и висцеральных систем человека (дыхание, кровь, кровообращение и др.) начинают снижаться.

Чем выше уровень физической активности человека, тем больше у него МПК. Независимо от возраста, у лиц ведущих малоподвижный об­раз жизни МПК на 10-20% меньше, чем у более подвижных. В зрелом воз­расте у лиц занимающихся физическими упражнениями по сравнению с ма­лоподвижными МПК на 50-200% выше. Из рисунка 1-2 следует, что физиологическая “стоимость" работы (по величине ЧСС) у лиц с меньшим МПК суще­ственно выше. Это означает, что величина реакций системы кровообра­щения и дыхания на физическую работу, а, следовательно, и возможность возникновения острых сердечно-сосудистых расстройств возрастает по мере снижения аэробных возможностей человека.

По мере развития ребёнка изменяются его двигательные координационные способности. До 5-6 лет двигательные акты еще не столь совершенны как у детей 12-14 лет. В 7-летнем возрасте способность координировать свои движения становится более чёткой и целенаправ­ленной. Это связано с тем, что к 7 годам в ЦНС практически заканчи­вается формирование системы анализа сигналов, идущих от тактильных и кинестетических рецепторов (мышечных и вестибулярных). Усилива­ются процессы торможения в двигательных структурах мозга и, как следствие, концентрация возбуждения в регулирующих движения зонах головного мозга. Различные характеристики координационных способ­ностей человека(степень совершенства механизмов управления движе­ниями, ориентация в пространстве, устойчивость в прямостоянии, спо­собность дифференцировать темп движений, скорость изменений сустав­ного угла, регуляция величины мышечного напряжения) достигают пара­метров, близких к взрослым, к 14-16 годам.

Предотвращение развития возрастной патологии, повышение устойчивости организма к неблагоприятным факторам внешней среды должны проводиться с учетом состояния физиологических систем чело­века в критические периоды его онтогенеза. В полной мере это отно­сится и к двигательной функции, которая изменяется не только сама в зависимости от возраста и уровня физической активности, но вызы­вает также существенные изменения в нервно-гуморальной м висцераль­ных системах обеспечения жизнедеятельности. Такими критическими пе­риодами у человека являются - пубертатный; возраст 35-40 лет (нача­ло инволюции соматических функций); 45-48 лет (уменьшение интенсив­ности обмена веществ - жиров, белков, углеводов и минеральных вещес­тв; 50-55 лет (снижение функций половых желез, баланса жирового и углеводного обмена, снижение функций двигательного аппарата); 56-60 лет (уменьшение сократительной функции мышц, снижение физи­ческой работоспособности).