Сердечно - сосудистая система во время физической нагрузки повышает свои требования. Потребность кислороде активных мышц резко возрастает , используется больше питательных веществ, ускоряются метаболические процессы, поэтому возрастает количество продуктов распада. При продолжительной нагрузке, а также при выполнении физической нагрузки в условиях высокой температуры повышается температура тела. При интенсивной нагрузке увеличивается концентрация ионов водорода в мышцах и крови, что вызывает снижение рН крови.
Во время нагрузки происходят многочисленные изменения в сердечно - сосудистой системе. Все они направлены на выполнение одного задания: позволить системе удовлетворить возросшие потребности, обеспечив максимальную эффективность ее функционирования. Чтобы лучше понять происходящие изменения, нам необходимо более внимательно рассмотреть определенные функции сердечно- сосудистой системы. Мы изучим изменения всех компонентов системы, обратив особое внимание на
- частоту сердечных сокращений ;
- систолический объем крови;
- сердечный выброс;
- кровоток;
- артериальное давление;
- кровь.
ЧАСТОТА СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.
Частота - сердечных сокращений - наиболее простой и наиболее информативный параметр сердечно - сосудистой системы. Измерение его включает определения пульса, обычно в области запястья или сонной артерии. ЧСС отражает количество работы, которую должно выполнить сердце, чтобы удовлетворить повышенные требования организма при его вовлечении в физическую деятельность. Чтобы лучше разобраться, сравним ЧСС в покое и при физической нагрузке.
Частота сердечных сокращений в покое.
Средняя ЧСС в покое составляет 60-80 ударов в минуту. У людей среднего возраста, у малоподвижных и у тех, кто не занимается мышечной деятельностью, ЧСС в покое может превышать 100 ударов в минуту. У отлично подготовленных спортсменов, занимающихся видами спорта, требующими проявления выносливости, ЧСС в покое составляет 28-40 ударов в минуту. ЧСС обычно снижается с возрастом. На частоту сердечных сокращений также влияют факторы окружающей среды, например, она увеличивается в условиях высокой температуры и высокогорья.
Уже до начала упражнения ЧСС, как правило, превышает обычный показатель в покое. Это так называемая предстартовая реакция. Она возникает вследствие выделения нейромедиатора норадреналина симпатической нервной системы и гормона адреналина надпочечниками. По-видимому, снижается также вагусный тонус. Поскольку ЧСС перед выполнением упражнения, как правило, повышена, определение ее в покое следует осуществлять только в условиях полного расслабления, например утром, перед тем как встать с постели после спокойного сна. Частоту сердечных сокращений перед выполнением упражнения нельзя считать ЧСС в покое.
Частота сердечных сокращений при физической нагрузке.
Когда вы начинаете выполнять упражнения, ЧСС быстро возрастает пропорционально интенсивности нагрузки. Когда интенсивность работы точно контролируется и измеряется (например, на велоэргометре), показатель потребления кислорода можно предсказать. Следовательно, выражение интенсивности физической работы или упражнения в показателях потребления кислорода является не только точным, но и наиболее подходящим при обследовании как различных людей, так и одного того же человека в разных условиях.
Максимальная частота сердечных сокращений. ЧСС увеличивается пропорционально возрастанию интенсивности физической нагрузки практически до момента крайнего утомления (изнеможения). По мере приближения этого момента ЧСС начинает стабилизироваться. Это означает, что достигнут максимальный уровень ЧСС. Максимальная частота сердечных сокращений - максимальный показатель, достигаемый при максимальном усилии перед моментом крайней усталости. Это очень надежный показатель, который остается постоянным изо дня в день и изменяется незначительно только с возрастом из года в год.
Максимальную ЧСС можно определять, учитывая возраст, поскольку она снижается примерно на один удар в год, начиная с возраста 10-15 лет.
Вычтя возраст из 220 мы получим приближенный средний показатель максимальной ЧСС. Формула: 220- возраст= ЧСС.
Следует, однако, отметить, что индивидуальные показатели максимальной ЧСС могут отличаться от полученного таким образом среднего показателя довольно значительно. Например, у 40-летнего человека средний показатель максимальной ЧСС будет 180 ударов в минуту.
Однако из всех 40-летних людей 68% будут иметь показатель максимальной ЧСС в пределах 168-192 ударов в минуту, а у 95% этот показатель будет колебаться в пределах 156-204 ударов в минуту. Этот пример демонстрирует возможность ошибки при оценке максимальной ЧСС человека.
Устойчивая частота сердечных сокращений. При постоянных субмаксимальных уровнях физической нагрузки ЧСС увеличивается относительно быстро, пока не достигнет плато - устойчивой ЧСС, оптимальной для удовлетворения потребностей кровообращения при данной интенсивности работы. При каждом последующем увеличении интенсивности ЧСС достигает нового устойчивого показателя в течении 1-2 мин. Вместе с тем чем выше интенсивность нагрузки, тем больше времени требуется для достижения этого показателя.
Понятие устойчивости ЧСС легло в основу ряда тестов, разработанных для оценки физической подготовленности. В одном из этих тестов испытуемых помещали на прибор типа велоэргометра, и они выполняли работу при двух-трех стандартизированных интенсивностях. Отличавшиеся лучшей физической подготовленностью, исходя из их кардио - респираторной выносливости, имели более низкие показатели устойчивой ЧСС при данной интенсивности работы по сравнению с менее физически подготовленными. Таким образом, этот показатель - эффективный индикатор производительности сердца: более низкая ЧСС свидетельствует о более производительном сердце.
Когда упражнение выполняются с постоянной интенсивностью в течении продолжительного времени, особенно в условиях высокой температуры воздуха, ЧСС повышается, вместо демонстрации устойчивого показателя. Эта реакция является частью феномена, который называется сердечно - сосудистым сдвигом.
СИСТОЛИЧЕСКИЙ ОБЪЕМ КРОВИ.
Систолический объем крови также увеличивается во время нагрузки, обеспечивая более эффективную работу сердца. Общеизвестно, что при почти максимальной и максимальной интенсивности нагрузки систолический объем является главным показателем кардио - респираторной выносливости. Рассмотрим, что лежит в основе этого.
Систолический объем определяют четыре фактора:
1) объем венозной крови, возвращаемой в сердце;
2) растяжимость желудочков или их способность увеличиваться;
3) сократительная способность желудочков;
4) давление в аорте или давление в легочной артерии ( давление, которое должно преодолевать сопротивление желудочков в процессе сокращения).
Первые два фактора влияют на возможности заполнения желудочков кровью, определяя, какой объем крови имеется для их заполнения, а также, с какой легкостью они заполняются при данном давлении. Два последних фактора влияют на способность выталкивания из желудочков, определяя силу, с которой кровь выбрасывается, а также давление, которое она должна преодолеть, продвигаясь по артериям. Эти четыре фактора непосредственно контролируют изменения систолического объема, обусловленные увеличением интенсивности нагрузки.
Увеличение систолического объема с нагрузкой.
Ученые сошлись на том, что величина систолического объема во время нагрузки превышает показатели в состоянии покоя. Вместе с тем приводятся весьма противоречивые данные об изменении систолического объема при переходе от работы очень низкой интенсивности к работе максимальной интенсивности или к работе до возникновения крайней усталости. Большинство ученых считают, что систолический объем увеличивается с увеличением интенсивности работы, но только до 40-60 % максимальной. Считают, что при указанной интенсивности показатель систолического объема крови демонстрирует плато и не изменяется даже при достижении момента возникновения крайней усталости.
Когда тело находится в вертикальном положении, систолический объем крови увеличивается почти вдвое по сравнению с показателем в состоянии покоя, достигая максимальных значений при мышечной деятельности. Например, у физически активных, но нетренированных людей, он увеличивается от 50-60 мл в состоянии покоя до 100-120 мл при максимальной нагрузке. У отлично подготовленных спортсменов, занимающихся видами спорта, требующими проявления выносливости, показатель систолического объема может повышаться от 80-110 мл в состоянии покоя до 160-200 мл при максимальной нагрузке. При выполнении упражнения в положении супинации (например, плавание) систолический объем также увеличивается, но не столь выражено - на 20-40%. Почему существует такое различие, обусловленное разными положениями тела?
Когда тело находится в положении супинации, кровь не скапливается в нижних конечностях. Она быстрее возвращается в сердце, что и обусловливает более высокие показатели систолического объема в состоянии покоя в горизонтальном положении (супинация). Поэтому увеличение систолического объема при максимальной нагрузке не столь велико при горизонтальном положении тела по сравнению с вертикальным. Интересно, что максимальный показатель систолического объема, который может быть достигнут при выполнении упражнения в вертикальном положении, лишь ненамного превышает показатель в горизонтальном положении. Увеличение систолического объема при низкой или средней интенсивности работы в основном направлено на компенсирование силы тяжести.
Объяснение увеличения систолического объема крови.
Общеизвестно, что систолический объем крови увеличивается при переходе от состояния покоя к выполнению нагрузки, однако до последнего времени механизм этого увеличения не изучен. Одним из возможных механизмов может быть закон Франка - Старлинга, согласно которому главным фактором, регулирующим систолический объем крови, является степень растяжимости желудочков: чем сильнее растягивается желудочек, тем с большей силой он сокращается.
Некоторые более новые приборы диагностики функции сердечно - сосудистой системы позволяют точно определить изменения систолического объема при нагрузках. Метод эхокардиографии и радионуклидный метод с успехом применяли, чтобы определить, как реагируют камеры сердца на повышенную потребность в кислороде во время нагрузки. Оба метода обеспечивают получение постоянного изображения сердца в состоянии покоя, а также при почти максимальных интенсивностях нагрузки.
Для реализации механизма Франка - Старлинга необходимо, чтобы объем крови, поступающий в желудочек, возрастал. Чтобы это произошло, должен увеличиться венозный возврат крови в сердце. Это может быстро осуществиться при перераспределении крови вследствие симпатической активации артерий и артериол в неактивных участках тела и общей симпатической активации венозной системы. Кроме того, во время нагрузки мышцы более активны, поэтому их насосное действие также увеличивается. Кроме того, более интенсивными становится дыхание, поэтому повышается внутригрудное и внутрибрюшное давление. Все эти изменения усиливают венозный возврат.
Во время нагрузки сердечный выброс увеличивается, главным образом для того, чтобы удовлетворить возросшую потребность работающих мышц в кислороде.
КРОВОТОК.
Сердечно - сосудистая система еще более эффективна с точки зрения снабжения кровью тех участков, которые в этом нуждаются. Вспомним, что система сосудов способна перераспределять кровь, снабжая ею наиболее нуждающиеся участки. Рассмотрим изменения кровотока во время нагрузки.
Перераспределение крови во время физической нагрузки.
При переходе от состояния покоя к выполнению физической нагрузки структура кровотока заметно изменяется. Под воздействием симпатической нервной системы кровь отводится из участков, где ее наличие необязательно, и направляется в участки, принимающие активное участие в выполнении упражнения. В состоянии покоя сердечный выброс в мышцах составляет всего 15-20%, а при интенсивных физических нагрузках - 80-85%. Кровоток в мышцах увеличивается главным образом за счет уменьшения кровоснабжения почек, печени, желудка и кишечника.
По мере повышения температуры тела вследствие выполнения упражнения либо высокой температуры воздуха значительно большее количество крови направляется к коже, чтобы перенести тепло из глубины тела к периферии, откуда тепло выделяется во внешнюю среду. Увеличение кожного кровотока означает, что кровоснабжение мышц снижено. Этим, кстати, объясняются более низкие результаты в большинстве видов спорта, требующих проявления выносливости в жаркую погоду.
С началом упражнения активные скелетные мышцы начинают испытывать возрастающую потребность в кровотоке, которая удовлетворяется путем общей симпатической стимуляции сосудов тех участков, в которые кровоток предстоит ограничить. Сосуды в этих участках суживаются и кровоток направляется к скелетным мышцам, испытывающим потребность в дополнительном количестве крови. В скелетных мышцах симпатическая стимуляция суживающих стенок сосудов волокон ослабевает, а симпатическая стимуляция сосудорасширяющих волокон увеличивается. Таким образом, сосуды расширяются и в активные мышцы поступает дополнительное количество крови.
Сердечно - сосудистый сдвиг.
При продолжительной нагрузке, а также выполнении работы в условиях повышенной температуры воздуха объем крови понижается вследствие потери организмом жидкости, обусловленной потением и общим перемещением жидкости из крови в ткани. Это - отек. При постепенном снижении общего объема крови по мере увеличения продолжительности нагрузки и перемещении большего количества крови к периферии с целью охлаждения давления сердечного наполнения снижается. Это уменьшает венозный возврат в правую часть сердца, что, в свою очередь, снижает систолический объем. Пониженный систолический объем компенсируется увеличением ЧСС, направленным на сохранение величины сердечного выброса.
Эти изменения представляют собой так называемый сердечно - сосудистый сдвиг, позволяющий продолжать упражнения низкой или средней интенсивности. Вместе с тем организм неспособен полностью компенсировать пониженный систолический объем при высоких интенсивностях физической нагрузки, так как максимальная ЧСС достигается ранее, тем самым ограничивая максимальную мышечную деятельность.
АРТЕРИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ.
При физических нагрузках, требующих проявление выносливости, систолическое давление крови повышается пропорционально увеличению интенсивности нагрузки.
Повышенное систолическое давление крови - результат увеличенного сердечного выброса, который сопровождает увеличение интенсивности работы. Оно обеспечивает быстрое перемещение крови по сосудам. Кроме того, артериальное давление крови обусловливает количество жидкости, выходящей из капилляров в ткани, транспортируя необходимые питательные вещества. Таким образом, повышенное систолическое давление способствует осуществлению оптимального процесса транспорта.
Во время мышечной деятельности, требующей проявления выносливости, диастолическое давление практически не изменяется, независимо от интенсивности нагрузки.
Диастолическое давление отражает давление в артериях во время "отдыха" сердца. Ни одно из изменений, которые мы рассматривали, не влияет в значительной степени на это давление, поэтому нет причин ожидать его увеличения.
Артериальное давление достигает стабильных показателей во время субмаксимальной нагрузки, требующей проявления выносливости, постоянной интенсивности. С увеличением интенсивности нагрузки систолическое давление также возрастает. При продолжительной нагрузке постоянной интенсивности систолическое давление может постепенно снижаться, однако диастолическое давление остается неизменным.
При нагрузках на верхнюю часть тела, требующих высокой интенсивности, реакция давления крови еще более очевидна. По-видимому, это обусловлено меньшей мышечной массой и меньшим количеством сосудов в верхней части тела по сравнению с нижней. Такое различие обусловливает большее сопротивление кровотоку и, следовательно, повышенное давление крови, направленное на преодоление сопротивления.
Различия в реакции систолического давления крови между верхней и нижней частями тела имеют особое значение для сердца. Утилизация кислорода миокардом и кровоток в миокарде непосредственно связаны с произведением ЧСС и систолического давления крови. При выполнении статических, динамических силовых упражнений или упражнений для верхней части тела двойное произведение возрастает, свидетельствуя об увеличении нагрузки на сердце.
Объем плазмы.
С началом мышечной деятельности почти мгновенно наблюдается переход плазмы крови в интерстициальное пространство. Повышение давления крови вызывает увеличение гидростатического давления в капиллярах. Поэтому увеличение давления крови выталкивает жидкость из сосуда в межклеточное пространство. Кроме того, вследствие аккумуляции продуктов распада в активной мышце увеличивается внутримышечное осмотическое давление, притягивая жидкость к мышце.
Если интенсивность нагрузки или факторы окружающей среды вызывают потение, можно ожидать дополнительных потерь объема плазмы. Главный источник жидкости для образования пота - интерстициальная жидкость, количество которой уменьшается по мере продолжения процесса потения.
При нагрузке продолжительностью несколько минут изменения количества жидкости, а также терморегуляция практически не оказывает никакого влияния, однако при увеличении продолжительности нагрузки их значение для обеспечения эффективной деятельности повышается.
