§ 17. Процессы мышечного утомления при анаэробных и аэробных нагрузках

Цель изучения этой темы: рассмотреть связь между утомлением мышц и про­цессами анаэробного и аэробного дыхания.

Какие органы составляют опорно-двигательную систему позвоночных и че­ловека? Что такое утомление мышц и каковы могут быть его причины? Какие вещества, накапливаясь в мышцах, приводят к утомлению?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 34 — учебник для 7 класса, § 35 — учебник для 8 класса.

Утомление мышц. Скелетные мышцы — активная часть опорно-дви­гательной системы человека. Именно мышцы являются главными по­требителями кислорода в нашем организме. Установить это не трудно. Достаточно пробежаться несколько минут, и вы почувствуете, как у вас участилось дыхание, появилась одышка. Это первое свидетельство недо­статка кислорода, которое возникло при мышечной работе.

Каждая мышца состоит из клеток (миоцитов). Разветвленные крове­носные сосуды — капилляры обеспечивают питание и дыхание миоцитов. Для выработки и использования энергии к мышцам по крови доставля­ются кислород и питательные вещества.

 Рассмотрим простой эксперимент. Ученые положили человека на плоскость, урав  новешенную по типу весов Пока человек лежал неподвижно, тело его находилось в равновесии. Но как только человек сделал несколько жевательных движений, его голова опустилась вниз. Это произошло потому, что кровь притекла к мышцам, приводящим в движение нижнюю челюсть. Чтобы уравновесить свое тело, испы­туемый пошевелил пальцами ног и вернулся в исходное равновесное положение.

Физиологи совместно с биохимиками выявили три причины мышеч­ного утомления:

• нехватка кислорода и, как следствие, накопление молочной кис­лоты;
• растяжение сухожилий;
• «усталость» нервных центров, контролирующих монотонно работа­ющую группу мышц.

Влияние физических упражнений на аэробное и анаэробное дыхание. При интенсивной мышечной работе потребление кислорода организмом возрастает сразу же, а не через промежуток времени. Так, в организме фактически сразу возникает недостаток кислорода — кислородная задол­женность. Это возможно при таком типе физических упражнений, как поднятие штанги, толкание ядра, бег на короткие дистанции (спринт), армрестлинг, пауэрлифтинг и т. д. В этом случае в первые же секун­ды начинается анаэробный процесс, который дополняет собой аэробный.

Именно поэтому многие специалисты в области спорта называют указан­ные выше виды упражнений анаэробными.

При этом аэробными считаются виды спорта, в которых нагрузка на организм постепенная. Это плавание, бег на средние и длинные дистан­ции, велоспорт, футбол, теннис, плавание и т. д. В этом случае тоже воз­никает кислородная задолженность, но она формируется через 10-20 с после начала нагрузок. Когда аэробного процесса начинает не хватать для обеспечения организма энергией, появляются учащение дыхания и одышка.

При занятиях как анаэробными, так и аэробными видами спорта обязательно происходят оба процесса. Энергия от них используется на работу мышц. Отличие заключается в сроках накопления молочной кис­лоты в клетках мышц и крови.

Связь процессов утомления с анаэробным и аэробным дыханием. С накоплением молочной кислоты в мышечных клетках возникает чув­ство утомления. Многие считают, что мышечные боли, которые возника­ют после длительных тренировок и ощущаются несколько дней, это ре­зультат накопления молочной кислоты. Но на самом деле это не так. Как только у человека после нагрузок восстанавливается нормальная частота дыхания и сердечных сокращений, кислородная задолженность ликви­дирована. При этом часть остатков молочной кислоты продолжает разла­гаться, давая энергию на синтез АТФ. Другая ее часть полимеризуется и используется на синтез сначала глюкозы, а впоследствии — гликогена.

Максимальное время разложения молочной кислоты (лактата) даже пос­ле самых серьезных нагрузок составляет не более часа (рис. 25).

Неверно думать, что организм человека использует аэробный и анаэробный пути получения энергии как простое «разделение труда». Аэробный процесс энергетически более выгоден, поскольку в этом слу­чае включаются все возможные физиологические и биохимические меха­низмы, направленные на восполнение кислородной задолженности. Так, при физических нагрузках вырабатывается адреналин, активизируется симпатическая нервная система. В результате расширяются бронхиолы, учащаются дыхание и сердцебиение, за счет изменения диаметра сосудов улучшается кровоток в мышцах. В целом организм переходит на иной, усиленный уровень энергопотребления и, соответственно, получения и использования кислорода.

Все эти механизмы лучше выражены у тренированных людей (рис. 26).

Причем у людей, занимающихся определенным видом спорта, орга­низм приспосабливается ко всем подобным нагрузкам. Так, футболисты и хоккеисты не испытывают энергетических проблем, если занимаются смежным видом спорта. Отличается их подготовленность в плане спор­тивной техники, но не в плане энергетической выносливости организма.

Знание и понимание

1. Опишите три причины мышечного утомления.
2. Объясните, почему при физических нагрузках в организме начинает накапливаться молочная кислота.

Применение

1. Определите связь между процессами мышечного утомления, физиче­скими нагрузками и процессами получения энергии в организме.
2. Предположите, почему у полицейских, военнослужащих, пожарных и служащих МЧС в план спортивных тренировок обязательно включе­ны аэробные и анаэробные упражнения.

Анализ

1. Проанализируйте график (см. рис. 26) и установите, как тренировки влияют на энергообеспечение организма.
2. Нарисуйте схему «Организм при физических нагрузках», использо­вав в ней следующие элементы: глюкоза, гликоген, молочная кислота. АТФ, углекислый га.з, кислород, вода, кровь, мышцы, печень, аэробный процесс, анаэробный процесс.

Синтез

1. Порассуждайте, как и почему в организме формируется кислородная задолженность, и как организм стремится ее ликвидировать.
2. Систематизируйте по критериям особенностей энергетического обме­на различные виды спорта. Можно ли однозначно утверждать, что анаэробные виды развивают мышечную силу, а аэробные выносли­вость?

Оценка

1. Напишите реферат о том, какие виды спорта предпочтительнее для общей тренировки сердечно-сосудистой системы.
2. Оцепите.
3. Перед крупными соревнованиями, в период серьезных тренировок, у спортсменов с одинаковыми показателями берут кровь на содержа­ние молочной кислоты. Оцеиите, можно ли па основе этих показа­телей сделать вывод о спортивных перспективах. Для каких видов спорта это актуально?

Что происходит в организме военнослужащих, если они пробегают дистанцию в 5 км в ОЗК (костюм химической защиты: противогаз, сапоги, перчатки, комбинезон, полностью исключающие попадание, пыли, жидкостей и воздуха в организм, кроме как через противогаз) на предельной скорости?

Глава 7. ВЫДЕЛЕНИЕ

§ 18. Строение и функции нефрона

Цель изучения этой темы: описывать строение и функцию нефрона; процессы фильтрации и образования мочи.

Что такое нефрон? Из каких двух частей он состоит? Какая связь существу­ет между выделительными трубочками дождевых червей и нефронами чело­века? Что такое фильтрация, реабсорбция, первичная и вторичная моча ? Как связаны эти понятия?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 31 — учебник для 7 класса; § 28 — учебник для 8 класса.

Строение и функции нефрона. Как вы помните, нефрон — это струк­турная и функциональная единица почек человека и других позвоночных (рис. 27). Нефрон состоит из расширенной части — капсулы (она как бы обхватывает капиллярный клубочек) и извитого канальца. Только у мле­копитающих и человека нефрон имеет столь длинный извитой каналец. Стенки нефрона, образованные одним слоем уникальных эпителиальных клеток, позволяют выполнять важнейшую функцию — очистку крови.

Ультрафильтрации, или просто фильтрация. — это процесс образова­ния первичной мочи. То есть это попадание жидкой части крови — плаз мы внутрь капсулы нефрона из капилляров клубочка. Если почка здо­рова и клетки эпителия почечной капсулы не повреждены, они никогда не пропустят внутрь нефрона клетки крови, белки плазмы (фибриноген, альбумины, антитела и т. д.). А все мелкие, легко растворимые молеку­лы, такие как глюкоза, соли (NaCl и др.), ионы, мочевина, витамины и сама вода поступают внутрь почечной капсулы и дальше перетекают в почечный каналец.

Главная причина, по которой происходит процесс фильтрации, — это высокое давление в капиллярах клубочка. Вспомните, что кровь поступа­ет в эти капилляры по широкой артерии, а уходит по узкой. Так в этих мельчайших сосудах создается высокое давление, которое и проталкива­ет мелкие молекулы веществ сквозь стенку капилляров и между эпите­лиальными клетками капсулы нефрона. Частицы, проходящие внутрь капсулы, не превышают в диаметре 30 нм. Поэтому этот процесс и на­зывают не просто фильтрацией, а ультрафильтрацией, подчеркивая таким образом микроскопические размеры самого процесса.

Но думать, что ультрафильтрация обеспечивается только высоким гидростатиче­ским давлением крови в капиллярах, тоже не совсем верно. В этом процессе игра­ют роль и разные потенциалы заряженных частиц, и поверхностные структуры, на­ходящиеся на мембранах клеток почечной капсулы. То есть ультрафильтрация, как и большинство биологических явлений, сложнее простых физических процессов.

Абсорбция и избирательная реабсорбция. Абсорбция — это накопле­ние молекул какого-либо вещества на определенной «границе».

 Чтобы легче представить себе процесс абсорбции, вспомним простой пример: по-  ложим салфетку в разлитую по столу воду. Вода впитается, площадь ее поверх­ ности уменьшится или исчезнет. Это будет примером абсорбции молекул воды в салфетке, а не в окружающем воздухе, куда бы они непременно испарились, не будь салфетки. А так вода абсорбировалась на поверхности волокон салфетки, она уже из этого сконцентрированного положения постепенно и более медленно будет испаряться в воздух.

Абсорбция внутри нефрона — это концентрация молекул, попавших в извитой каналец на его внутренней поверхности, прежде чем они вернутся в кровь.

Реабсорбция — это процесс обратного всасывания, т. е. возврат ве­ществ, попавших в нефрон, в кровяное русло. Прежде всего в кровь воз­вращаются вода и глюкоза. Как вы помните, из 150-170 л первичной мочи по итогам реабсорбции остается всего 1,5 л вторичной мочи (табл. 3).

Следовательно, почкам необходимо возвращать в кровь 148,5-168,5 л жидкости в сутки! Это и есть процесс реабсорбции.

Состав первичной и вторичной мочи

Название вещества	Плазма крови	Первичная моча	Вторичная моча	Соотношение во вторич­ной и первичной моче
Мочевина	0.03	0,03	2.0	В 65 раз больше
Мочевая кислота	0.004	0.004	0.05	В 12 раз больше
Глюкоза	0.01 0.15	0,01 0,15	—	Отсутствует в конечной моче
Калий	0,2	0,02	0.15	В 7 раз больше
Натрий	0.32	0,32	0.35	Примерно столько же

Причины фильтрации и обратной фильтрации очевидны. Без про­цесса фильтрации не образовывалась бы первичная моча, и все шлаки оставались бы в крови, вызвали самоотравление организма. Без обратной фильтрации организм человека терял бы столько жидкости и полезных веществ (глюкозы, ионов, витаминов, солей и т. д.), что погиб бы от обез­воживания.

Знание и понимание

1. Объясните, для чего нужны капсула нефрона и извитой каналец.
2. Дайте определение процессу фильтрации (ультрафильтрации) и обрат­ной фильтрации, или реабсорбции.

Применение

1. Определите связь между частями нефрона и происходящими в них процессами.
2. Сравните процесс обычной физической абсорбции и реабсорбции в по­чечном канальце.

Анализ

1. Проанализируйте состав плазмы крови, первичной и вторичной мочи. Установите, в чем их отличие, и опишите физиологическое значение этого.
2. Рассмотрите приведенный ниже рисунок. Какие процессы на нем изображены? Опишите различия в процессах, протекающих в разных частях нефрона.

Синтез

1. Смоделируйте ситуацию: прекращение процесса фильтрации и обрат­ной фильтрации. Предположите все возможные негативные процессы при нарушении каждого из них.
2. Используя полученные знания, проверьте утверждение: «Во время первичной фильтрации в капсуле пефрона все жидкое содержимое крови оказывается примерно 50 раз, т. е. вся жидкость крови очи­щается в почках каждые 30 минут». Для этого проведите расчеты. Вычтите из общего количества крови в организме человека ее жидкую часть — плазму. Количество первичной мочи, образующееся в сутки, разделите на количество плазмы. А полученный результат поделите на количество часов в сутках. Сопоставьте полученные вами данные и представленные в тексте величины. Как изменится ответ, если ис­пользовать минимальные и максимальные показатели первичной мочи?

Оценка

1. Оцените обоснованность формулировки «Описывать процессы филь­трации и образования мочи». Следует ли разделять эти понятия?
2. Используя дополнительные источники информации, напишите сооб­щения о процессах синтеза веществ, происходящих в клетках нефрона.