6. Мышечная система
Слайд 16. В результате сокращения мышц происходят различные движения: перемещение тела в пространстве, глотательные и дыхательные движения, продвижение пищи по желудочно-кишечному тракту, сокращение стенок мочевого пузыря, сужение и расширение сосудов и др. Значительная часть мышечных усилий затрачивается на удержание туловища в вертикальном положении.
В зависимости от строения и функциональных особенностей различают поперечнополосатые мышцы, гладкие мышцы и сердечную мышцу.
В состав поперечнополосатых мышц входит поперечно-полосатая мышечная ткань. Поперечнополосатые мышцы сокращаются по воле человека (произвольно). В эту группу входят скелетные мышцы (головы, туловища, конечностей) и мышцы некоторых внутренних органов (языка, гортани и др.). Скелетные мышцы составляют активную часть опорно-двигательного аппарата.
Гладкие мышцы состоят из гладкой мышечной ткани и находятся в стенках полых внутренних органов (желудок, кишечник, мочевой пузырь и др.) и кровеносных сосудов. От сокращения этих мышц зависит объем органов, величина их просвета, а также перемещение содержимого внутренних органов (например, пищи в пищеварительном канале). Сокращение гладких мышц не зависит от воли человека (происходят непроизвольно).
Сердечная мышца сокращается непроизвольно, но образована поперечнополосатой мышечной тканью особого строения.
У человека более 400 скелетных мышц. Мышцы составляют около 40% массы тела (у спортсменов их общая масса может достигать 50%). Мышцы на своих концах имеют сухожилия, при помощи которых прикрепляются к костям.
Слайд 17. Структурной и функциональной единицей скелетной мышцы является мышечное волокно. Мышечные волокна объединяются в пучки. Каждая мышца состоит из множества таких пучков. Отдельные мышечные пучки и вся мышца имеют тонкую оболочку.
Миофибриллы (сократительные нити), содержащиеся в мышечных волокнах, и тянущиеся от одного конца мышечного волокна к другому, обеспечивают их сокращение. Мышечные волокна расположены параллельно друг другу, поэтому сила сокращающихся мышечных волокон суммируется.
Поперечная исчерченность мышечного волокна определяется особым строением миофибрилл. Каждая миофибрилла разделена на чередующиеся темные и светлые участки. Одни из них - толстые содержат белок миозин, другие - тонкие - белок актин. Сокращение и расслабление мышечных волокон происходит в результате взаимодействия белков актина и миозина, что выражается в скольжении толстых и тонких нитей друг относительно друга. Сокращение происходит путем втягивания нитей актина между нитями миозина. Расслабление мышечного волокна происходит в результате выдвижения нитей актина из промежутков между нитями миозина.
Энергетика мышечного сокращения. Скольжение нитей актина и миозина совершается за счет энергии, выделяемой при расщеплении аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ - богатое энергией соединение). Но содержание АТФ в клетках невелико. Для того, чтобы мышцы могли поддерживать длительное сокращение, необходимо постоянное восстановление АТФ с той же скоростью, с которой она расщепляется. Восстановление АТФ происходит за счет химических реакций с участием кислорода (аэробные реакции), либо - без кислорода (анаэробные реакции).
Аэробные реакции - это основа биологической энергетики организма. Аэробные реакции могут продолжаться часами. Энергетическим источником аэробных реакций (окисление) восстановления АТФ являются в основном углеводы и жиры, реже - белки. При окислительном (соединение с кислородом) распаде этих веществ освобождается большое количество энергии, обеспечивающей эффективный ресинтез АТФ. Продукты распада (в частности, вода и углекислый газ) при этом достаточно легко удаляются из организма.
Аэробные реакции происходят во время любой малоинтенсивной деятельности, в том числе и бытовой. В физкультурной деятельности, например, во время равномерного длительного медленного бега, плавания, езды на лыжах, когда темп движений невысок и дыхание легкое и свободное, что соответствует работе умеренной интенсивности, потребность организма в кислороде (кислородный запрос) может полностью удовлетворяться в процессе самой работы. При условии согласованной работы функциональных систем организма, обеспечивающих потребление и доставку кислорода, кислородный долг не возникает, и восстановление АТФ происходит за счет энергии, выделяемой при окислении углеводов, жиров и белков. Такие упражнения часто называют аэробными или кардиоупражнениями. Они совершенствуют деятельность кровеносной и дыхательной систем, повышают МПК (показатель аэробной работоспособности организма) и способствуют воспитанию общей выносливости.
При увеличении интенсивности, например, ускорение во время медленного бега, при выполнении кратковременных мышечных усилий взрывного характера (бег на короткие дистанции), в начале мышечной работы («период врабатывания»), кислородный запрос увеличивается. Но процессы дыхания и кровообращения не успевают усилиться до необходимого уровня, обеспечивающего нужное количество кислорода, так как время развертывания аэробного пути составляет 3-4 минуты (у тренированных - до 1 минуты). Образуется кислородный долг. Мышцам приходится работать при недостатке кислорода. В таких условиях восстановление АТФ совершается за счет энергии веществ, способных расщепляться без участия кислорода (анаэробные реакции). В первые секунды идет расщепление креатинфосфата (КрФ - энергетически богатое соединение, содержащееся в мышечных клетках), затем подключаются механизмы расщепления гликогена и глюкозы крови. Их энергообеспечивающая деятельность может продолжаться до 3-4 минут. Однако запасы КрФ и гликогена ограничены. Кроме того, при анаэробном расщеплении глюкозы образуется молочная кислота (промежуточный продукт распада углеводов), накопление которой ведет к угнетению обмена веществ и снижению работоспособности мышц. Поэтому продолжительность работы в бескислородных условиях невелика. Мышечная деятельность либо прерывается, либо продолжается, но с меньшей интенсивностью. Подобные условия возникают в организме при работе субмаксимальной и максимальной интенсивности.
Например, в беге на 400 метров кислородный запрос (количество кислорода, необходимое для полного обеспечения выполняемой работы) равен приблизительно 27 литров. Время пробегания дистанции на уровне мирового рекорда составляет 40 секунд. Исследования показали, что за это время спортсмен поглощает 3-4 литра кислорода. Следовательно, 24 литра - это общий кислородный долг (разница между кислородным запросом и количеством кислорода, потребляемым во время работы), образовавшийся в организме в результате такой работы. Он возмещается уже после забега, в период восстановления. В таких упражнениях, например, как бег на 100 и 200 метров, плавание на 25 и 50 метров и т.п. доля анаэробных источников в энергетическом обеспечении деятельности может превышать 90%. В частности, во время спринтерского бега делается лишь несколько поверхностных дыхательных движений, а иногда бег совершается при полной задержке дыхания.
Анаэробная работоспособность определяется по величине максимального кислородного долга, при котором мышцы способны эффективно сокращаться. Важно приучать мышцы переносить большой кислородный долг. Если часто принуждать мышцы работать в условиях кислородного долга (гипоксии), они приспособятся к этому: увеличится мощность механизмов синтезирующих энергетические источники, увеличатся запасы энергетических источников в мышце (КрФ, гликоген), мышцы приобретут навык сокращаться при большом количестве молочной кислоты, обезвреживать ее (см. п. 6.4). Это качество совершенствуется в процессе тренировок, связанных с анаэробной производительностью (см. п. 3.4), тренировок в среднегорье, а также путем создания искусственных условий гипоксии (например, упражнения с задержкой дыхания) и др.
Скелетные мышцы и образующие их мышечные волокна различаются по множеству параметров - скорости сокращения, утомляемости, диаметру, цвету и т.д. Например, цвет мышцы зависит от количества миоглобина (мышечного пигмента, играющего важную роль в снабжении мышц кислородом) в структуре мышечных волокон, плотностью кровеносных капилляров и др. Почти в каждой мышце содержатся красные, белые и волокна, слабо пигментированные. Красные мышечные волокна характеризуются преимущественно аэробным типом обмена веществ, белые - анаэробным. По скорости сокращения выделяют медленные и быстрые мышечные волокна. Медленные мышечные волокна приспособлены для выполнения продолжительной мышечной деятельности, например, удержание тела в выпрямленном положении или бег на длинные дистанции. Быстрые мышечные волокна - для выполнения быстрых и мощных сокращений, например, прыжки, бег на короткие дистанции. Предполагается, что красные мышечные волокна сокращаются медленно, а белые - быстро. В зависимости от преобладания в мышцах конкретного типа мышечных волокон скелетные мышцы относят к «красным» и «белым или «медленным» и «быстрым». Каждая мышца уникальна по количественному соотношению входящих в ее состав типов мышечных волокон. Это соотношение генетически обусловлено. Данный факт учитывается при спортивном отборе, например, спортсменов-бегунов - спринтеров и стайеров.
Все скелетные мышцы пронизаны кровеносными сосудами и нервами. По сосудам кровь приносит питательные вещества и кислород, и уносит из них продукты обмена и углекислый газ. Посредством нервов осуществляется связь мышц с нервной системой. Под влиянием нервных импульсов, поступающих по двигательным нервам из центральной нервной системы, мышцы приходят в деятельное состояние.
В ходе мышечной деятельности в мышцах поочередно происходят процессы сокращения и расслабления. Работа мышц в равной степени зависит от этих процессов. Сокращение и расслабление мышечных волокон представляет собой сложную систему энергетических, химических и других изменений в клетках мышечной ткани.
Любой двигательный акт представляет собой результат согласованного действия ряда отдельных мышц, так как на каждый сустав действуют несколько мышц. Причем сокращение и расслабление разных групп мышц происходит в определенном порядке и с определенной силой. Например, если мышцы - сгибатели сокращаются, то мышцы - разгибатели в это время расслабляются. Благодаря этому движения совершаются плавно. Несогласованная работа мышц может вызвать порывистые, толчкообразные движения, что часто наблюдается при разучивании движений.
Большую роль в повышении работоспособности играет систематическая физическая тренировка. В результате в мышцах происходят различные изменения, например, утолщение мышечных волокон, увеличение количества капилляров, повышение содержания гликогена, креатинфосфата, миоглобина и др. Физическая тренировка сопровождается также совершенствованием нервных механизмов регулирования мышечной деятельности. Такие изменения увеличивают силу и выносливость мышц, что благотворно влияет на весь организм, так как одновременно происходят изменения во всех других системах и органах. Все это приводит к укреплению здоровья и повышению выносливости человека. Направленное увеличение силы определенных групп мышц помогает исправить различные отклонения в строении скелета (сутулость, боковое искривление позвоночника и др.).
Важно отметить, что мышечные движения человека, как на это указывал еще И.М. Сеченов, имеют значение и для развития мозга.