Механизмы кислородного обеспечения организма спортсменов в покое и при нагрузках максимальной мощности

Введение.* Известно, что спорт высших достижений связан с предельными по интенсивности и длительности тренировочными и соревновательными нагрузками, во время которых многократно увеличивается обмен веществ и потребление кислорода. Обеспечение повышенного потребления кислорода в процессе мышечной деятельности сопровождается усилением деятельности всех звеньев газотранспортной системы, включая внешнее дыхание, сердечно-сосудистую систему, кровь и тканевое дыхание. Резерв этих звеньев во многом определяет уровень максимального потребления кислорода (VO2max) и общей физической работоспособности спортсменов. В зависимости от типа тренировочных нагрузок у спортсменов формируются специфические механизмы адаптации организма, определяющие резерв отдельных звеньев газотранспортной системы, особенности метаболизма, резистентность к гипоксии и т.д. [4, 5, 10, 12, 13]. Специфика тренировочных нагрузок, их объем и интенсивность в различных видах беговой деятельности (бег на короткие, средние и длинные дистанции) предполагают формирование различных механизмов адаптации организма к нагрузкам, включая уровень метаболизма, изменения функциональных резервов отдельных звеньев газотранспортной системы и общей физической работоспособности спортсменов.

Цель исследования. Изучить особенности газотранспортной системы и функциональные резервы внешнего дыхания, крови и сердечно-сосудистой системы у квалифицированных спортсменов, специализирующихся в беге на средние и короткие дистанции. .

Материалы и методы. В обследовании приняли участие 2 группы квалифицированных спортсменов-легкоатлетов (КМС и МС). Первую группу (n=12) составили спортсмены, специализирующиеся в беге на средние дистанции («средневики»), вторую группу (n=12) – спортсмены, специализирующиеся в беге на короткие дистанции («спринтеры»). Возраст обследуемых – 23,6±1,5 года. Все участники предварительно прошли медицинский осмотр и были признаны здоровыми. Обследование проводилось при личном согласии каждого участника.

В состоянии относительного мышечного покоя и при физической нагрузке, сопровождающейся максимальным потреблением кислорода (VO 2max ), оценивали частоту сердечных сокращений (ЧСС) с использованием кардиомонитора Polar, артериальное давление, которое определяли общепринятым методом Рива-Рочи в модификации Короткова.

Ударный объем сердца (УОС), минутный объем кровообращения (МОК) и общее периферическое сопротивление сосудов (ОПСС) рассчитывали в соответствии с рекомендациями [1]. Для определения насыщения крови кислородом (SO 2 ) использовался оксигемометр SO 3 DX Mini SpO 2 (USA).

Дыхательный объем (ДО), частоту дыхания (ЧД), минутный объем дыхания (МОД) определяли с использованием спирографа «СПМ-21/01» (Россия); потребление О 2 (VO 2 ) и выделение СО 2 (VCO 2 ) – при помощи газоанализаторов «Спиролит – 2» (Германия) и «ГКМ – 01 – ИНСОВТ» (Санкт-Петербург).

В пробах артериализированной крови определяли содержание эритроцитов и гемоглобина (Hb) по общепринятой лабораторной методике. На основании этих показателей рассчитывали кислородную емкость крови (КЕК), об.%:

КЕК = Hbx1,34, где 1,34 – константа Гюфнера.

Среднее содержание гемоглобина в эритроците (СГЭ) определяли по формуле [12]

NAY =

êîë -âî Hb â 100 ìë

Содержание кислорода в смешанной венозной крови (CvO 2 , об.%) определяли в соответствии с формулой

CvO 2 = CaO 2 –С(a–v)O 2 .

Скорость транспорта кислорода (qaO 2 , мл/мин) определяли как произведение МОК и СаО 2 в артериальной крови:

qaO 2 = MOK x CaO 2 .

Физические нагрузки моделировались с использованием велоэргометра в соответствии с рекомендациями [8]. Мощность первой нагрузки составляла 100 Вт. Далее она увеличивалась на 50 Вт вплоть до отказа от работы и достижения уровня максимального потребления кислорода. Продолжительность каждой ступени нагрузки составляла 5 мин. Контрольные измерения проводились в покое и в конце каждой ступени нагрузки. Потребление О 2 определялось ежеминутно вплоть до достижения максимальных значений.

Полученные результаты обработаны при помощи пакета математических программ MS Excel, 2005.

Результаты и обсуждение. В соответствии с поставленными задачами в исследовании оценивали особенности кислородтрас-портной системы у спортсменов в состоянии относительного мышечного покоя и при нагрузке с максимальным потреблением кислорода.

Результаты исследования показали, что в покое у спортсменов-«средневиков» и «спринтеров» имеются определенные сходства и различия в функционировании отдельных звеньев газотранспортной системы (табл. 1 и 2). Так, при одинаковом уровне потребления кислорода (табл. 1) VO 2 в группах не различается. Минутный объем дыхания, частотные и объемные характеристики в группах находятся в пределах физиологической нормы и не имеют выраженных различий. Наряду с этим установлено, что у «средневиков» имеет место достоверно высокий (р≤ 0,05) коэффициент использования О 2 в легких (табл. 1), который характеризует эффективность вентиляционно-перфузионных отношений в легких и переход О 2 из альвеол в кровь.

Результаты исследований показали, что в группе «средневиков» отмечаются повышенные уровни эритроцитов (р≤ 0,05), гемоглобина (р≤ 0,05) и КЕК (р≤ 0,05), определяющие резерв доставки О2 от капилляров легких в ткани [7]. Можно полагать, что установленные различия кислородтранспортной системы связаны со спецификой спортивной подготовки, которая направлена на развитие анаэробно-аэробных возможностей организма и сопровождается возникновением артериальной гипоксемии и тканевой гипоксии (гипоксия нагрузки), которые в процессе адаптации стимулируют эритропоэз и возникновение «истинного» эритроцитоза спортсменов [12]. Специфика тренировочных занятий у «средневиков» определяет особенности формирования морфофункциональной адаптации серд- ца спортсменов [3, 4, 11]. Установлено, что в группе «средневиков» (табл. 1) имеет место выраженная брадикардия (44,6±2,1 уд./мин) на фоне сравнительно высокого систолического выброса (р≤ 0,05). При этом выраженных отличий со стороны интегрального показателя работы сердца – минутного объема кровообращения – в покое не отмечается (табл. 1). Эти данные свидетельствуют о том, что изменение уровня МОК, адекватного удовлетворению кислородного запроса (VO2), в состоянии мышечного покоя в группе «средневиков» осуществляется по эффективному пути снижения частоты сердечных сокращений и повышения сократительной активности миокарда (инотропный эффект), что является признаком экономизации его работы, характерной для «спортивного сердца» [1, 9].

Особенности кислородного обеспечения организма спортсменов в покое и при максимальной физической нагрузке (M±m)

Таблица 1

Показатели	Покой		Нагрузка с VO 2max
	«средневики»	«спринтеры»	«средневики»	«спринтеры»
VO 2 , мл х мин/кг	7,2±0,01	7,0±0,03	82,2±3,4*	52,1±3,2*#
МОД, л/мин	12,1±2,1	14,8±2,8	129,0±5,0*	79,3±9,1*#
ЧД, мин	12,2±0,9	15,8±2,2	37,5±2,0*	35,4±4,2*
ДО, л	0,9±0,1	0,9±0,1	3,4±0,1	2,4±0,2*#
КИО 2 , % в легких	4,50±0,07	3,20±0,06#	4,50±0,03	3,00±0,03*#
МОК, л/мин	3,4±0,3	3,7±0,5	24,1±0,2*	18,9±0,3*#
ЧСС, уд./мин	44,6±2,1	56,2±2,5#	181,0±3,2*	171,3±7,3*#
УОК, мл	78,1±2,6	66,8±3,1#	124,2±4,5*	111,7±2,3*#
АДС, мм рт. ст.	116,1±2,0	116,3±4,9	160,0±3,6*	154,5±6,3*
АДД, мм рт. ст.	68,8±2,1	67,5±2,7	35,3±4,2*	56,1±5,4*
ОПСС, дин х с х см -5	2084,2±10,2	2100±21,4	334,6±8,5*	825±11,4*#
SO 2, %	98,1±0,3	98,2±0,4	95,2±0,7*	95,7±1,3*
qaO 2 , мл/мин	685,7±23,1	691,1±31,2	4843,2±24,8*	3647,2±32,5*#
CaO 2 , об.%	20,1±0,3	18,7±0,3#	19,3±0,4	18,3±0,4#
CvO 2 , об.%	14,3±0,2	13,9±0,2	6,6±0,3*	8,7±0,5*#
С(a–v)O 2 , об.%	5,8±0,3	4,8±0,3	12,7±0,2*	10,6±0,6*#
КУО 2 , %	28,8±0,6	25,6±0,7#	65,9±0,7*	54,9±1,1*#

Примечание. * – различия достоверны по сравнению с покоем, р≤ 0,05; # – различия достоверны по сравнению с группой «средневиков», р≤ 0,05.

Наряду с экономизацией работы сердца у спортсменов-«средневиков» транспорт О 2 артериальной кровью практически не отличается от его величины у спортсменов-«сприн-теров», однако в этой группе отмечаются сравнительно высокие артерио-венозная разница по О 2 и коэффициент его утилизации тканями (р≤ 0,05), что свидетельствует о наличии тканевой адаптации в группе [2, 6].

Таким образом, результаты исследования показали, что у высококвалифицированных спортсменов-бегунов на средние дистанции удовлетворение кислородного запроса в состоянии относительного мышечного покоя осуществляется за счет эффективного газообмена в легких, высокого содержания эритроцитов, гемоглобина, кислородной емкости крови и утилизации О2 тканями на фоне экономизации функций сердца (брадикардия покоя).

В соответствии с целью исследования у спортсменов обеих групп было проведено прямое определение уровня VO 2max и количественных изменений отдельных звеньев газотранспортной системы (внешнее дыхание, сердечно-сосудистая система, артерио-венозная разница по О 2 ), характеризующих их резервные возможности.

Таблица 2

Показатели	«Средневики»	«Спринтеры»
Эритроциты, 1012/л	4,80±0,03	4,50±0,03#
Гемоглобин, г/л	153±3,4	142,0±2,9#
КЕК, об.%	20,50±0,04	19,00±0,02
СГЭ, пг	31,40±1,30	31,80±1,20

Примечание. # – различия достоверны по сравнению с группой «средневиков», р≤ 0,05.

Показатели красной крови спортсменов (M±m)

Известно, что уровень VO2max является объективным критерием оценки аэробных возможностей (резервов) организма и общей физической работоспособности спортсменов [10, 12, 13]. Полученные данные приводят к заключению, что аэробные резервы квалифицированных спортсменов, тренирующихся в беге на средние дистанции, выше, чем у квалифицированных спортсменов-«спринтеров», что вполне закономерно, учитывая специфику их спортивной специализации [4, 8, 12]. Действительно, достижение высоких спортивных результатов в спринте, когда длительность соревновательных нагрузок не превышает 40–50 с, анаэробные пути ресинтеза АТФ являются определяющими в энергетике мышечной деятельности, и направленность тренировочного процесса связана с их развитием [12]. Что касается специфики тренировочного процесса бегунов на средние дистанции, соревновательная деятельность которых исчисляется минутами, а ресинтез АТФ осуществляется при участии анаэробно- аэробных процессов, специфика тренировочного процесса и уровень спортивного результата во многом определяются не только анаэробными, но и аэробными резервами, уровень которых зависит от возможностей тканевого (митохондриального) дыхания и, что особенно важно, от возможностей газотранспортной системы в доставке О2 [6]. С этих позиций в рамках проведенного исследования было проведено сравнительное изучение функционального резерва внешнего дыхания, сердечно-сосудистой системы и тканевой утилизации О2 при нагрузках максимальной мощности, которые характеризуют особенности специфической адаптации спортсменов-легкоатлетов различной специализации и позволяют дифференцировать «слабые звенья», лимитирующие доставку кислорода и аэробные возможности организма (VO2max) «средневиков» и «спринтеров».

Результаты исследований показали (табл. 1), что при нагрузках с VO 2max легочная вентиляция у «средневиков» увеличивается в

10,6 раза (р≤ 0,05). В группе «спринтеров» – лишь в 5,3 раза (р≤ 0,05), причем разница между группами составляет 62,6 % (р≤ 0,05). Установлено, что повышенный уровень МОД у «средневиков» сопровождается большим приростом дыхательного объема при незначительных различиях частоты дыхания, что с позиций биоэнергетики дыхания является не только эффективной, но и более экономичной реакцией [10]. На этом фоне у спортсменов-«средневиков» отмечается повышенный коэффициент использования кислорода в легких (р≤ 0,05), что указывает на высокий уровень вентиляционно-перфузионных отношений в системе малого круга кровообращения [2].

Результаты исследования также показали, что при нагрузке с VO 2max насыщение артериальной крови кислородом в обеих группах снижается (р≤ 0,05), что связано не столько с ограничением газообмена в легких, сколько с артерио-венозным шунтированием и увеличением в артериальной крови доли венозной примеси, поступающей через анастомозы, открывающиеся при повышении давления в системе малого круга кровообращения при тяжелых физических нагрузках [12]. При этом наблюдается тенденция к снижению артериального содержания О 2 в обеих группах (р≤ 0,05), причем в группе «спринтеров» уровень СаО 2 достоверно ниже, чем в группе «средневиков» (р≤ 0,05).

На фоне умеренной артериальной гипоксемии важную роль в доставке О 2 в ткани играют функциональные возможности сердца, определяющие уровень минутного объема кровообращения и транспорта О 2 .

При нагрузке с VO 2max минутный объем кровообращения увеличивается: у «средневиков» – в 7,1 раза (р≤ 0,05), у «спринтеров» – в 5,1 раза (р≤ 0,05). При этом абсолютный уровень МОК в группе «средневиков» на 27,5 % (р≤ 0,05) выше, чем в группе «спринтеров», что свидетельствует о высоких резервах сердца спортсменов первой группы. Подтверждением этого служат данные об увеличении ударного выброса и частоты сердечных сокращений в группе «средневиков» в 1,6 (р≤ 0,05) и в 4,1 раза (р≤ 0,05); в группе «спринтеров» увеличение составило 1,6 (р≤ 0,05) и 3,0 раза (р≤ 0,05).

Обращают на себя внимание изменения общего периферического сопротивления, свидетельствующие о повышении емкости кровеносного русла за счет увеличения числа функционирующих микрососудов, обеспечивающих перераспределение кровотока в скелетную мускулатуру [12, 13]. Результаты исследования показали, что в группе «средневиков» ОПСС при нагрузке с VO 2max снижается в 6,2 раза (р≤ 0,05), и это существенно больше, чем в группе «спринтеров» в (2,5 раза, р≤ 0,05). При этом, наряду с закономерным повышением АДС в обеих группах, АДД в группе «средневиков» снижается в большей степени, чем в группе сравнения. Причины этого, очевидно, связаны с особенностями морфофункциональной адаптации спортсме-нов-«средневиков», поскольку известно, что тренировки, направленные на расширение аэробных резервов организма и устойчивости к гипоксии, сопровождаются активизацией процессов ангиогенеза, пролиферацией микрососудов не только в локомоторных мышцах, но и в респираторных и сердечной мышцах, определяя резервы сосудистого русла в этих тканях [3, 11].

Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о наличии количественных различий со стороны сердечно-сосудистой системы у «средневиков» и «спринтеров» при нагрузках с VO 2max , которые влияют на доставку О 2 в органы и ткани и, соответственно, на уровень максимального потребления кислорода.

Результаты исследования показали, что при сравнительно небольших различиях CaO2 в группах при нагрузках с VO2max скорость артериального транспорта О2 у «средневиков» и «спринтеров» имеет выраженные отличия (табл. 1). Так, уровень qaO2 при нагрузке с VO2max увеличивается в группе «средневиков» в 7,0 раза (р≤ 0,05), что на 32,7 % (р≤ 0,05) превышает уровень артериального транспорта О2 в группе «спринтеров». При этом высокий уровень транспорта артериальной кровью О2 в группе «средневиков» определяется преимущественно высоким резервом сердечно-сосудистой системы и в меньшей степени различиями артериального содержания О2. Так, если уровень МОК при нагрузке с VO2max в группе «средневиков» превышает его величину у «спринтеров» на 27,5 %, то содержание О2 в единице объема артериальной крови (100 мл) выше лишь на 5,2 %, что в совокупности обеспечивает установленные различия в скорости артериального транспорта О2 на 32,7 %.

Важным показателем, характеризующим уровень потребления организмом О 2 , является этап тканевого дыхания, интегральным показателем которого может служить артерио-венозная разница по О 2 или коэффициент утилизации О 2 тканями [2]. Результаты исследования показали, что при максимальной нагрузке С(a-v)О 2 увеличивается в группе «средневиков» и «спринтеров» в 2,2 раза (р≤ 0,05) по сравнению с покоем. При этом абсолютное значение показателя в группе «средневиков» на 19,8 % (р≤ 0,05) выше, чем в группе «спринтеров», что свидетельствует о более высокой способности тканей экстрагировать О 2 из единицы притекающей крови. Высокую эффективность тканевого дыхания подтверждают низкий уровень О 2 в смешанной венозной крови и сравнительно высокий коэффициент утилизации О 2 тканями. Полученные данные свидетельствуют о наличии особенностей тканевого дыхания в группах сравнения как в покое, так и при максимальных физических нагрузках. Очевидно, причины этого сопряжены с морфофункциональными изменениями в организме спортсменов, которые формируются в процессе адаптации к мышечной деятельности, объем, интенсивность и длительность которой в процессе тренировок направлены в группе «средневиков» на развитие анаэробно-аэробных резервов организма, уровень которых прямо связан с функциональными резервами внешнего дыхания, дыхательной функции крови, сердечно-сосудистой системы и системы тканевого дыхания (способность к утилизации О 2 ).

Выводы:

MECHANISM OF OXYGEN SUPPLY IN SPORTSMEN AT THE REST AND MAXIMAL PHYSICAL EXERCISES

E.D. Pupyreva, M.V. Balykin

Ulyanovsk State University