3. 1 . Биологические основы физической культуры

В этом разделе не ставится задача проведения подробного историческо­го обзора эволюционного становления «человека разумного». Здесь важно только подчеркнуть тесную взаимосвязь постепенного становле­ния организма человека в филогенезе с его высокой двигательной активностью, с постоянными и значительными физическими нагрузками.

3.1.1. Становление и развитие организма человека в филогенезе и онтогенезе

Роль двигательной активности для нормальной жизнедеятельности со­временного человека. На основе постоянной и значительной двигатель­ной активности человека на всех стадиях его развития в филогенезе (исключая последние несколько сотен лет, что в эволюционном плане составляет незначительный период) определилась программа, алго­ритм морфологического становления всего его тела, формообразова­ния и оптимальные размеры отдельных его органов и систем, особен­ности их функционирования. Именно эволюционной программой определено то, что все составляющие организма человека (клетки, ткани, органы, системы) для своего естественного нормального функ­ционирования требуют определенного объема движений. Поэтому в онтогенезе отдельного человека двигательная активность, оптималь­ный объем и интенсивность движений являются не только обязатель­ным условием нормального физического развития каждого человека, но и одним из основных условий обеспечения жизненно необходимо­го уровня функциональных возможностей организма во всех возраст­ных периодах его жизни.

Поэтому на современном уровне цивилизации забота об обеспече­нии оптимального объема двигательной активности становится все более существенной. Дело в том, что ныне уже постоянно нарушается жизненно важный для человека баланс между разными видами дея­тельности и преобладание среди них таких, для которых характерна малая подвижность (умственный труд, транспортное передвижение, преимущественно пассивный отдых и т.п.). Ограниченность объема физических нагрузок у современного человека в труде и быту потре­бовала разработки и внедрения в жизнь дополнительных (иногда ис­кусственно созданных) физических упражнений и условий их выпол­нения. Именно этим обусловлена и необходимость включения в жизнь современного, человека физкультурно-спортивных физических упражнений. Подобные упражнения дифференцируются для разных возрастных групп, для представителей различных видов труда, для жителей различных регионов и т.д.

3.1.2. Анатомо-морфологическое строение организма. Функциональная реакция отдельных его составляющих на повышенную двигательную активность

Правильная организация процесса физического воспитания и спор­тивной тренировки предопределяет необходимость знаний о строении человеческого тела, закономерностях деятельности составляющих его организма при функциональном обеспечении движений человека. Без этого невозможно обоснованно осуществлять подбор физических уп­ражнений, определять их объем и интенсивность с учетом задач учеб­но-тренировочного занятия. Особенно это важно при самостоятель­ных тренировках.

В настоящее время анатомо-морфологическое строение организма человека общепринято изучать и излагать в следующей последова­тельности: клетки, ткани, органы, системы.

Клетка

Единство организма человека с внешней средой проявляется, преж­де всего, в постоянно непрекращающемся обмене веществ и энергии.

Постоянный обмен веществ и энергии выражается, с одной стороны, процессами ассимиляции — усвоением поступающих в организм пита­тельных веществ и кислорода, которые сопровождаются накоплением в организме потенциальной энергии, с другой стороны, процессами дис­симиляции — постоянным распадом усвоенных сложных химических веществ на более простые с высвобождением химической энергии, кото­рая затем переходит в биоэлектрическую, тепловую, механическую.

' Эти важнейшие для организма процессы жизнедеятельности осу­ществляются в элементарной живой системе — клетке. Она является основой зарождения, развития, саморегуляции, существования лю­бых живых организмов. Клетка способна автоматически настраивать­ся на оптимальный режим работы в непрерывно меняющихся услови­ях функционирования. Например, в ситуациях, когда современной электронно-вычислительной машине требуется 30 ч для расчета необ­ходимого режима обменных процессов в клетке (при 1000 операциях в 1 с), клетка реагирует почти мгновенно.

В организме человека насчитывается более 100 трлн регулярно об­новляющихся клеток. Клетки разнообразны по своим размерам, форме и функциям. Определенные группы клеток специализированы. Основная часть любой клетки — ядро и цитоплазма.

В ядре клетки расположены нитевидные образования — хромосо­мы, которые являются носителями наследственных задатков организ­ма, передающихся от родителей.

В цитоплазме — полужидкой внутренней среде клетки, где проис­ходит химическое взаимодействие различных веществ и кислорода, — расположены мельчайшие структуры — органоиды. В их разновиднос­тях образуются белки и другие вещества, служащие источником энер­гии, играющие главную роль в осуществлении функций клетки. Клет­ка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоев молекул и обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. Через мем­брану находящиеся в межклеточном пространстве в растворенном со­стоянии питательные вещества, соли, а также кислород проникают в клетку. Через нее же удаляются из клетки вещества, которые образу­ются в результате протекающих в ней реакций.

Основное жизненное свойство клетки — это обмен веществ, или метаболизм. То есть клетка обладает сложными и эффективными си­стемами превращения одного вида энергии в другой. Химическая энергия может превращаться в механическую работу при сокращении клетки, в электрическую — при проведении нервного импульса или в другой химический процесс, связанный с ростом и делением самой клетки. В конце концов, энергия переходит в виде тепла во внешнюю

среду. Образно говоря, каждая клетка организма представляет собой одновременно фабрику по переработке веществ, поступающих в орга­низм; электростанцию, вырабатывающую биологическую энергию; компьютер и множительный аппарат с большим объемом хранения и выдачи наследственной информации.

Повышение двигательной активности человека создает для каж­дой клетки, участвующей в обеспечении процесса движения (через увеличение количества нервных связей между клетками, определяю­щих ритмику биохимических процессов, через увеличение поступле­ния из межклеточной жидкости питательных веществ и кислорода), дополнительные условия и возможности для:

• деления и размножения клеток (роста тканей);

• выработки дополнительной энергии;

•активации выведения из клеток и организма продуктов распада после биохимических процессов.

Сохраняя свою относительную автономию, клетка входит в состав той или иной тканевой системы.

Ткань

Это совокупность клеток, имеющих одинаковое строение, функ­цию. В зависимости от функциональной специализации выделяют четыре вида тканей.

Эпителиальные ткани обеспечивают обмен веществ между орга­низмом и окружающей средой, а также выполняют защитную и тер­морегуляционную функции.

Соединительные ткани объединяют хрящевую, костную, собственно соединительную ткань; они выполняют пластическую, защитную и меха­ническую (опорную) функции и играют важную роль в питании тканей.

Нервная ткань состоит из различных нервных клеток, обеспечиваю­щих восприятие, трансформацию и проведение возбуждений. Она про­низывает каждую клетку и эпителиальной, и соединительной, и мышеч­ной ткани, является проводником центральной нервной системы (ЦНС), в том числе и при управлении каждым движением человека.

Мышечная ткань устроена очень сложно. В простейшем изложе­нии это выглядит следующим образом. Мышца имеет волокнистую структуру. Каждое ее волокно это мышца в миниатюре. Основа мышцы — белки, главные свойства — возбудимость и сократимость. Возбуждение мышечных волокон представляет собой сложную систе­му энергетических, химических, структурных и иных изменений в клетках, обеспечивающих специфическую работу мышечной ткани.

Рис. 3.2. Виды мышечной ткани и ее строение (по А.С. Батуеву и др.)

В процессе мышечного сокращения потенциальная химическая энергия переходит в потенциальную механическую энергию напряже­ния и кинетическую энергию движения. Работа мышц, движение от­дельных частей тела происходит именно в результате способности клеток мышечной ткани переходить в состояние возбуждения и сокращения.

Кровь — жидкая ткань, которая может выступать и как самостоя­тельная физиологическая система. Кровь, циркулирующая в кровенос­ной системе, обеспечивает жизнедеятельность клеток и тканей организ­ма. Кислород в клетки, и ткани доставляется только кровью, и только кровью из тканей уносятся образующиеся в них продукты окисления.

Кровь состоит из плазмы и взвешенных в ней форменных элементов: красных кровяных телец (эритроцитов), белых кровяных телец (лейко­цитов), кровяных пластинок (тромбоцитов). В 1 мл крови в норме со­держится 4,4—5 млн эритроцитов, 6—8 тыс. лейкоцитов, 200—300 тыс. тромбоцитов (рис. 3.3).

Эритроциты — клетки, почти полностью заполненные особым бел­ком — гемоглобином. Гемоглобин способен давать нестойкое соедине­ние с кислородом (оксигемоглобин, имеющий яркий алый цвет), что позволяет крови транспортировать кислород из легких к тканям тела. Именно гемоглобин является тем «вагончиком», который перевозит кислород по всему организму. Малый размер эритроцитов позволяет им проходить по тончайшим кровеносным сосудам — капиллярам. Эрит­роциты участвуют и в переносе углекислого газа из тканей в легкие.

Физические упражнения способствуют увеличению количества гемо­глобина в эритроцитах и количества эритроцитов в крови, что повышает кислородную емкость крови и ее транспортабельность в организме.

Лейкоциты — белые кровяные тельца, выполняют преимущественно защитную функцию. Они могут выходить из кровяного русла непосред­ственно в ткани тела в пораженном его участке и там уничтожать ино­родные для организма белки, в том числе болезнетворные микробы.

Тромбоциты значительно меньше эритроцитов. Они играют важ­ную роль в сложном процессе свертывания крови при повреждениях

какой-либо из тканей.

В плазме крови растворены гормоны, минеральные соли, пита­тельные и другие вещества, которыми она снабжает ткани, а также со­держатся продукты распада, удаленные из тканей.

Рис. 3.3. Состав крови человека (по Ю.Л. Кислицыну)

При движении крови по капиллярам, пронизывающим все ткани, через их полупроницаемые стенки постоянно просачиваются в меж­тканевое пространство часть кровяной плазмы, которая образует межтканевую жидкость, окружающую все клетки тела. Кровь непре­рывно отдает в межтканевую жидкость питательные вещества, ис­пользуемые клетками, и поглощает вещества, выделяемые ими. Здесь же, между клетками, расположены мельчайшие лимфатические сосу­ды. Некоторые вещества межтканевой жидкости просачиваются в эти сосуды и образуют лимфу, которая выполняет следующие функции: возвращает белки из межтканевого пространства в кровь, участвует в перераспределении жидкости в организме, доставляет жиры к клет­кам тканей, поддерживает нормальное протекание процессов обмена веществ в тканях, удаляет из организма болезнетворные микроорга­низмы. Лимфа по лимфатическим сосудам возвращается в кровь, в венозную часть сосудистой системы.

Количество крови составляет 7—8% массы тела человека. (Напри­мер, в организме человека весом 70 кг содержится 5—6 л крови.) В по­кое 40—50% крови выключается из кровообращения и находится в «кровяных депо»: в печени, селезенке, в сосудах кожи, мышц, легких. В случае необходимости (например, при активной мышечной работе) запасной объем крови включается в кровообращение. Наибольший объем крови рефлекторно направляется к работающему органу. Все это регулируется центральной нервной системой.

Органы

Это части организма, выполняющие определенную функцию (сердце, легкие, почки и т.д.).

Орган имеет свою, только ему свойственную форму и положение в организме. Он может состоять из нескольких тканей, но, как правило, одна из них играет первостепенную роль. Так, преобладающая ткань кости — костная, главная ткань мускула — мышечная и т.д. В то же время в каждом органе есть соединительная, нервная и эпителиаль­ная (например, кровеносные сосуды) ткани. Каждый из органов явля­ется составной частью одной из физиологических систем организма. Поэтому, рассматривая преимущественно двигательную сферу жизне­деятельности человека, будет целесообразнее освещать строение и ра­боту отдельных органов совместно с работой всей системы, в которую входит этот орган.

Системы органов

Органы, объединенные определенной физиологической функци­ей, составляют физиологическую систему.

Различают следующие физиологические системы: опоры и движе­ния (костная и мышечная), кровеносную, дыхательную, нервную, покровную, пищеварительную, выделительную, половую, эндокринную.

В обеспечении двигательной активности человека практически за­действованы почти все физиологические системы. Однако определяю­щими являются первые четыре из перечисленных выше физиологиче­ских систем. Понимание функций и работы этих систем — одно из условий осмысленного выполнения физических упражнений при физкультурно-спортивных или жизненно-бытовых физических нагрузках.

Объединение различных органов и систем для решения какой-ли­бо функциональной задачи называют функциональной системой. На­пример, быстрый (или длительный) бег может быть обеспечен функ­циональной системой, включающей большое число различных органов и систем: нервную, органы движения, дыхания, кровообра­щения, потоотделения и др.

Система опоры и движения

Эта система объединяет в себе две подсистемы — костную и мы­шечную, она состоит из большого числа парных и непарных костей, мышц, связок, мышечных сухожилий.

Кости, соединяясь между собой различными суставами, образуют скелет — опору человеческого тела (рис. 3.4). Кости скелета состоят преимущественно из костной ткани, пронизанной кровеносными, лимфатическими сосудами и волокнами нервной ткани. При любых положениях тела (стоянии, сидении, лежании) все органы опираются на кости. Главной опорой скелета служит позвоночный столб, состо­ящий из 33—34 отдельных позвонков с межпозвоночными хрящевы­ми дисками. В этом и состоит опорная функция скелета.

Скелет выполняет и защитные функции, ограждая жизненно важные внутренние органы от внешних механических воздействий (кости черепа, грудная клетка, кости таза). Кроме того, некоторые части скелета — по­звоночник с его функциональными изгибами и суставы нижних конечно­стей — совместно с мышцами осущестатяют амортизационные функции при ходьбе, беге, прыжках, оберегая мозг человека и его внутренние орга­ны от неблагоприятных длительных или сильных толчков и сотрясений.

Двигательные функции системы опоры и движения реализуются посредством взаимодействия костей скелета, его суставов, по сути являющихся рычагами, и мыши. Большинство костей, соединяющихся между собой связками и мышечными сухожилиями, образуют суста­вы (конечности, позвоночник и др.). Сустав (рис. 3.5) полностью за­ключен в суставную сумку, стенки которой выделяют синовиальную жидкость, выполняющую роль смазки.

Главная функция суставов — осуществление движений. Наряду с этим они выполняют роль своеобразных тормозов, гасящих инерцию движения, что позволяет производить мгновенную остановку после бы­строго движения. Отсутствие достаточной двигательной активности мышц, окружающих кости и прилегающих к суставам, приводит к нару­шению обмена веществ в костной ткани и потере их прочности, а в сус­тавах — к разрыхлению суставного хряща, к изменению суставных по­верхностей, к появлению болевых ощущений.

Мышцы. У человека насчитывается более 600 мышц. Они составля­ют у мужчин 35—40% веса тела (у спортсменов 50% и более), у жен­щин несколько меньше.

Мышечная система обеспечивает движение человека, вертикаль­ное положение тела, фиксацию внутренних органов в определенном положении, дыхательные движения, усиление тока крови и лимфы

(«мышечный насос»), теплорегуляцию организма вместе с другими системами.

При работе мышцы развивают опреде­ленную силу, которую можно измерить. Многие скелетные мышцы обладают зна­чительной силой, способной преодолеть даже вес собственного тела. Систематиче­ская направленная тренировка увеличи­вает силу мышц, главным образом, за счет увеличения и утолщения мышечных во­локон. Топография основных групп ске­летных мышц представлена на рис. 3.6.

При совершенствовании своих сило­вых возможностей важно знать не толь -

Рис. 3.4. Скелет человека. Вид спереди: 1 — череп, 2 — позвоночный столб, 3 — ключица, 4 — ребро, 5 — грудина, 6 — плечевая кость, 7 — луче­вая кость, 8 — локтевая кость, 9 — кости запястья, 10 — пястные кости, 11 -- фаланги пальцев кисти, 12 — под­вздошная кость, 13 — крестец, 14 — лобковая кость, 15 — седалищная кость, 16 — бедренная кость, 17 надколенник, 18 — болынеберцозая кость, 19 — мало­берцовая кость, 20 — кости предплюсны, 21 — плюсне-вые-кости, 22 — фаланги пальцев стопы

Рис. 3.5. Схема строения сустава

ко анатомическую топографию мышц, но и точки прикрепления тренируемых мышц к костям скелета. Это позволяет избирательно подбирать тренировочные упражнения например, на сгибание или разгибание отдельных частей тела, или на пронацию (поворот внутрь), супинацию (поворот наружу) отдельных конечностей или их частей.

Кровеносная (сердечно-сосудистая) система

Кровеносная система состоит из сердца и сети кровеносных сосу­дов. Ее функция -- обеспечение непрерывной доставки к каждой клетке, ткани, органу питательных веществ, кислорода и гормонов, а . также освобождение организма от ненужных веществ — углекислого газа и других продуктов внутреннего обмена. С сосудистой системой связаны также селезенка («депо крови») и красный костный мозг, яв­ляющийся органом кроветворения.

Сердечно-сосудистая система состоит из большого и малого кругов кровообращения. Левый желудочек сердца и правое предсердие обслу­живают большой круг кровообращения, а правый желудочек и левое предсердие — малый. Большой круг кровообращения начинается от левого желудочка сердца, проходит через ткани всех органов и возвра­щается в виде венозной крови в правое предсердие. Из правого пред­сердия кровь переходит в правый желудочек, и оттуда, из правого же­лудочка, начинается малый круг кровообращения, который проходит через легкие, где венозная кровь, отдавая углекислый газ и насыщаясь кислородом, превращается в артериальную и направляется в левое

Рис. 3.6. Главные мышцы человека (по Г.С. Решетникову):

I — мышцы, осуществляющие движения кисти и пальцев; 2 — двуглавая мышца плеча; 3 — трехглавая мышца плеча; 4 — дельтовидная мышца; 5 — большая грудная мышца; 6 — большая круглая мышца; 7 — широчайшая мышца спины; 8 — трапециевидная мышца; 9 — передняя зубчатая мышца; 10 — грудино-ключично-сосцевидная мышца;I1 — лестничные мышцы; 12 — прямая мышца живота; 13 — наружная косая мышца; 14 — большая ягодичная мышца; 15 —двуглавая мышца бедра; 16 — полусухожильная мышца; 17 — мышца-натягиватель широкой фасции бедра; 18 — портняжная мышца; 19 — четырехглавая мышца бедра; 20 — приводящие мышцы бедра; 21 — трехглавая мышца голени (21А — икроножная мышца. 21Б — камбаловидная мышца); 22 — передняя большеберцовая мышца; 23 — мышцы стопы

предсердие. Из левого предсердия кровь переходит в левый желудочек II оттуда снова в большой круг кровообращения.

Сердце — центральный орган кровеносной системы, который соеди­нен с кровеносными сосудами различного диаметра. Функция серд­ца — прогонять кровь по сосудам, чтобы обеспечить газообмен между клетками и внешним воздухом. Вес сердца здорового человека — 300— 500 г по 5—7 г на килограмм веса в зависимости от тренированности. По существу, сердце — это четырехкамерный насос, делящийся на две половины — левую и правую, каждая из которых состоит из предсердия и желудочка, соединенных между собой клапанами, обеспечивающими свободное поступление крови из предсердия в желудочек, но препят­ствующими его обратному току. Оно ритмично сокращается и гонит кровь по сосудам ко всем органам и тканям организма.

Сердце — автоматическое устройство с внутренней автономной иннервацией. Однако на его работу существенное регулирующее воз­действие оказывает и центральная нервная система: непосредственно это воздействие ветви блуждающего нерва (замедляет деятельность сердца) и симпатического (ускоряет).

Ритмика сердечных циклов состоит из трех фаз: сокращения пред­сердий, сокращения желудочков и общего расслабления сердца. Вре­менные соотношения этих трех фаз во многом зависят от развития и тренированности сердечной мышцы и от аналогичного состояния кро­вяного русла (аорты, артерий, ка­пиллярной сети и венозных сосу­дов). Движение крови в сосудах обусловлено силой и частотой сокращений сердца и тонусом кро­веносных сосудов, от которых зависит давление крови в артери­альной системе. Частота сердеч­ных сокращений у здорового взрослого человека составляет 60— 80 ударов в минуту.

Двигательная активность чело­века, занятия физическими упраж­нениями, спортом оказывают су­щественное влияние на развитие и состояние сердца. Пожалуй, ни один орган не нуждается столь сильно в тренировке и не поддается ей столь легко, как сердце. Работая

Левая сторона

Правая сторона

Артериальная кровь

Рис. 3.7. Схематическое изображение

сердца и кровообращения

(по Р. Хедману)

с большой нагрузкой при выполнении спортивных и трудовых физичес­ких упражнений, сердце неизбежно тренируется. Оно приспосабливает­ся к переброске намного большего количества крови, чем это может сде­лать сердце нетренированного человека. В процессе регулярных занятий физическими упражнениями, как правило, происходит увеличение мас­сы сердечной мышцы и размеров сердца (табл. 3.1).

Показателями работоспособности сердца являются, в первую оче­редь, частота пульса, кровяное давление, систолический объем крови, минутный объем крови (подробнее об этом см. гл. 4).

Сеть кровеносных сосудов. Кровь в организме под воздействием ра­боты сердца находится в постоянном движении, которое называется кровообращением. Оно осуществляется по обширной сети кровенос­ных сосудов: отходящая от сердца аорта переходит в артерии, артериолы и заканчивается мельчайшими капиллярами, через которые кислород и питательные вещества попадают в ткани. По венам кровь возвращается в сердце под воздействием разности давлений в артери­ях и венах, которое обеспечивает непрерывный ток крови по крове­носным сосудам.

Артерии — кровеносные сосуды, по которым кровь движется от сердца, имеют плотные упругие мышечные стенки. Самые мелкие ар­терии разветвляются на микроскопические сосуды — капилляры, про­низывающие весь организм. Их толщина в 10—15 раз тоньше человече­ского волоса, и они охватывают все ткани тела. Например, в 1 мм² работающей скелетной мышцы действует около 3 тыс. капилляров. Ес­ли все капилляры человека уложить в одну линию, то ее длина составит 100 тыс. км. Капилляры имеют тонкие полупроницаемые стенки, через

Таблица 3.1