Биохимические процессы в мышцах во время работы и восстановления
В сложных биохимических процессах, происходящих в мышечной ткани при переходе человека от покоя к работе, можно отметить ряд последовательных ступеней. Так как в начале работы не происходит увеличения окислительных процессов, потребление кислорода может увеличиваться неодновременно с выполняемой работой. При работе и соответствующих мышечных сокращениях биохимические процессы последовательно проходят две фазы (см. стр. 70): анаэробную и аэробную. Во время анаэробной фазы в мышечной ткани и крови накапливается молочная кислота. Во время аэробной фазы она удаляется. Часть ее окисляется до конечных продуктов — углекислоты и воды, остальная же молочная кислота вновь синтезируется в гликоген за счет энергии, образовавшейся при окислительных процессах.
Таким образом, удаление молочной кислоты при участии окислительных процессов и потребление кислорода представляют основное содержание второй, аэробной фазы мышечной работы. Соответственно этому в начале работы дыхание и кровообращение постепенно усиливаются. Работа в течение первых нескольких минут происходит при недостаточном притоке к мышцам кислорода. В результате большая часть образующейся молочной кислоты не успевает окисляться или вновь синтезироваться в гликоген и накапливается в мышечной ткани.
То количество кислорода, которое необходимо для полного окисления всех продуктов, образующихся за 1 мин, называется кислородным запросом или кислородной потребностью. Разница между величиной кислородного запроса и количеством кислорода, фактически доставляемого работающим мышцам, называется кислородным долгом.
В начале работы в течение нескольких минут, когда преобладают процессы, связанные с накоплением в мышце молочной кислоты, и поступающий с кровью кислород не успевает устранить накопляющуюся молочную кислоту, кислородный долг растет. Но через некоторое время (2—4 мин) в результате поступающих в нервную систему раздражений от совершаемых мышечных движений и от накопления в крови молочной кислоты и углекислоты деятельность дыхательной и сердечно-сосудистой систем усиливается и организм получает все необходимое количество кислорода для окисления образующихся продуктов. Таким образом прекращается накопление продуктов распада, достигается состояние равновесия между накоплением продуктов распада и их устранением через окисление. После окончания работы в течение некоторого времени наблюдается повышенное потребление кислорода, который расходуется на окисление оставшихся продуктов распада. По мере устранения этих продуктов потребление кислорода уменьшается, возвращаясь к исходному уровню, т. е. к уровню, который был до работы.
Возвращение потребления кислорода к исходному уровню называется восстановлением газообмена; соответствующий отрезок времени носит название восстановительного периода.
Устойчивое состояние газообмена может сохраняться только в том случае, если величина кислородного запроса не выходит за пределы функциональных возможностей организма. Максимальное количество кислорода, которое может потребить взрослый человек в минуту, составляет около 3 л; у хорошо тренированных лиц оно может достигать 4—5 л. Тяжелая физическая работа, требующая больше 5 л кислорода в минуту, характеризуется отсутствием устойчивого состояния газообмена. При этом работа должна часто прекращаться из-за быстрого накопления в крови продуктов рабочего обмена и недостатка кислорода для их окисления (т. е. быстрого накопления кислородного долга).
На рис. 23 схематически представлены соотношения между кислородным запросом, кислородным долгом и потреблением кислорода во время работы и восстановления газообмена. По горизонтальной оси нанесено время в любых единицах (например, в минутах), по вертикали — потребление кислорода за минуту работы в литрах. В левой части рисунка изображен ход потребления кислорода при работе средней тяжести. Уровень потребления кислорода, соответствующий линии АД,— основной обмен. С переходом от покоя к работе потребление кислорода постепенно увеличивается, пока в точке Б не достигнет величины, достаточной для устранения всей вновь образующейся при данной работе молочной кислоты. Кислород, требующийся для окисления того количества молочной кислоты, которое осталось неустраненным в течение отрезка времени от момента А до момента Б, составляет кислородный долг, который погашается после прекращения работы (в точке В). Кислородный долг в правой части рисунка изображается площадью АБ1БВ, равной площади ДВД1.
Рис. 23. Кислородный запрос, кислородный долг и потребление кислорода во время работы и восстановления: слева — работа средней тяжести, справа — работа с прогрессирующей кислородной задолженностью
При достижении устойчивого состояния кислородный долг не возрастает, независимо от продолжительности работы.
В правой части рисунка изображен ход потребления кислорода во время очень тяжелой работы, при которой в каждую минуту образуется молочной кислоты значительно больше, чем может быть устранено с помощью предельного количества поглощенного кислорода. В этих условиях кислородный долг все время растет и в организме (в крови и в мышцах) накапливается большое количество молочной кислоты. Увеличенное содержание молочной кислоты в тканях и в крови неблагоприятно сказывается на физиологических процессах. Это затрудняет работу мышц и снижает работоспособность человека.
После накопления определенного количества молочной кислоты и образования значительного кислородного долга работа прекращается. Кислородный долг покрывается во время восстановления (в период от момента В до момента Д1). Если бы организм не обладал способностью восполнять необходимую энергию и ликвидировать избыток накопившихся продуктов рабочего обмена путем повышенного потребления кислорода в период восстановления, то для человека была бы невозможней работа, требующая очень большого физического напряжения.