Реакция эффекторного звена функциональной системы по адаптации организма к познотонической и фазной деятельности

Ю.С.Ванюшин, МЛО.Вашошин РЕАКЦИИ ЭФФЕКТОРНОГО ЗВЕНА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ

*

СИСТЕМЫ ПО АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА К ПОЗНОТОНИЧЕСКОЙ И ФАЗНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

На взаимодействие физиологических систем обратили внимание давно. Еще Гален и Гиппократ отмечали: «... все находится в совокупности частей, а в частях все содействует деятельности каждой из них», «в теле все сливается в одно, все действует согласованно, и все друг другу сочувствуют» (цит. по Р.Ш.Габдрахманову, 1990).

Литературные данные показывают наличие определенных взаимоотношений внутри кардиореспираторной системы. Об этом свидетельствуют: дыхательная аритмия в работе сердца, фазовые изменения частоты сердечных сокращений при понижении и повышении внутрилегочного давления (пробы Мюллера и Вальсавы), наличие дыхательного ритма в активности эфферентных вагусных сердечных волокон [1] и сердечного ритма в активности эфферентных систем «типичного» экспираторного нейрона и диафрагмального нерва [2]. По мнению Р.Ш.Габдрахманова с со-авт.[3], сердечно-дыхательное взаимодействие вызывает интерес как проблема взаимодействия нервных центров. Они полагают, что центральные взаимосвязи дыхательной и сердечно-сосудистой систем осуществляются самостоятельной системой конвергентных нейронов, расположенных в ядре солитарного тракта, двояком и гигантоклегочном ядрах. Значение этой системы нейронов заключается в объединении задач дыхания и кровообращения для обеспечения единой функции газообмена организма. Если нарушается постоянство концентрации углекислого газа, кислорода и ки-слотно-щелочного равновесия в крови, то оно регулируется главным образом дыхательным центром в ответ на сигналы с хеморецепторов путем изменения объема вентиляции легких. Вместе с тем импульсация с механо-

рецепторов легких через указанную систему нейронов соответственно изменяет деятельность сердечно-сосудистой системы.

Теория функциональных систем постулирует принципиально новый подход к физиологическим явлениям. Она изменяет традиционное «органное» мышление и открывает картину целостных интегративных функций организма [4, 5].

Функциональная система, обеспечивающая адаптацию организма к нагрузкам, состоит из афферентного звена - рецепторов, центральной регуляции на разных уровнях ЦНС и эффекторного звена, включающего органы дыхания и кровообращения [4, 6]. Представленное образование относится к иерархическим высшим функциональным системам, в которых частные функциональные системы, в наших исследованиях это органы кровообращения и дыхания, выступают в роли эффекторов функциональной системы высшего порядка [7].

А.А.Маркосяном [8] было введено понятие «биологическая надежность», которая является одним из общих принципов индивидуального развития. Под биологической надежностью понимается такой уровень регулирования и такое соотношение элементов физиологического процесса, когда обеспечивается ход самого процесса с резервными возможностями, с взаимозаменяемостью звеньев, с быстрым возвратом к исходному состоянию, с достаточной лабильностью или пластичностью, гарантирующей быстрое приспособление и перестройку. Биологическая надежность означает безотказность, т.е. осуществление нормального функционирования в определенных условиях. В основе биологической надежности по А.А.Маркосяну [8] лежат три свойства живой системы: избыточность элементов и блоков, совершенствование регуляции и компенсации. Исходя из этого определения, можно считать, что двигательная деятельность является одним из условий изучения биологической надежности функциональ-

ных систем организма. А системой, лимитирующей развитие приспособительных реакций организма при разнообразных воздействиях, выступает, как правило, сердечно-сосудистая система и в первую очередь сердце, деятельность которого является определяющей, и все указанные свойства проявляются в онтогенезе функционирования данного органа.

По классификации, предложенной В.С.Фарфелем [9], все виды мышечной деятельности подразделяются на позно-тоническую и фазную деятельность. Наше исследование посвящено рассмотрению компенсаторноадаптационных реакций кардиореспираторной системы как эффекторного звена функциональной системы, обеспечивающей адаптацию организма к постуральным воздействиям, моделируемым при помощи активного изменения положения тела, относящиеся к позно-тонической деятельности, и к физическим нагрузкам повышающейся мощности, относящиеся к фазной деятельности. Выбор этих функциональных проб был не случаен, так как в спорте имеет место смешанный режим мышечной деятельности, связанный как с изменением положения тела в пространстве, так и с выполнением различных движений. Специфика некоторых видов спорта проявляется не только в мышечных напряжениях, но и в поддержании разнообразных положений тела, на фоне которых протекает двигательная деятельность, и они могут существенным образом влиять на вегетативные функции, тем более что в процессе срочной адаптации организма к нагрузкам не возникает новых физиологических систем и механизмов, а могут только усиливаться функции некоторых из них к функционированию в необычных условиях мышечной деятельности. С этой точки зрения наши исследования могут представлять определенный научный и практический интерес.

В исследованиях принимали участия спортсмены мужского пола в возрасте 15-60 лет, в количестве 103 человек, имеющие спортивную квалификацию от мастера спорта до 2-го разряда. Согласно возрастной перио-

дизации и занятий различными видами спорта, они были распределены на шесть групп: 1) подростки 15-16 лет (11 чел.), 2) юноши 17-21 лет (22 чел.), 3) мужчины 22-35 лет (20 чел.), 4) мужчины 36-60 лет (19 чел.), занимающиеся видами спорта на выносливость; 5) юноши 17-21 лет (17 чел.), 6) мужчины 22-35 лет (14 чел.), занимающиеся ациклическими видами спорта. Кроме того, обследовалась группа спортсменов-мужчин в количестве 12 человек, имеющих высокие тотальные размеры тела. Им предлагалась в качестве нагрузки работа на велоэргометре, которую дозировали исходя из массы тела: 1 Вт/кг, 2 Вт/кг, 3 Вт/кг. В абсолютных величинах применяемая нагрузка для некоторых испытуемых доходила до 300 Вт.

Для сбора необходимой информации использовался комплексный подход, состоящий в регистрации возможно большого количества синхронно фиксируемых и сопоставимых показателей, принимающих активное участие в обеспечении адаптивной деятельности человека. В связи с этим одновременно регистрировались дифференциальная и объемная рео-граммы, электрокардиограмма (ЭКГ), показатели внешнего дыхания и газообмена. Регистрация дифференциальной реограммы осуществлялась автоматически при помощи аналогово-цифрового преобразователя АД 128 в комплекте с компьютером АТ РепНит. Ударный объем крови (УОК) высчитывали по формуле В.Кубичек с соавт.[10], в модификации Ю.Т.Пуппсаря с соавт.[11], в которой был введен усредненный периметр грудной клетки для учета особенностей конституции тела испытуемых. Минутный объем крови (МОК) рассчитывали как произведение УОК на ЧСС. При этом ЧСС определяли по ЭКГ в отведении 1 по Небу. Метод реографии позволяет адекватно оцепивать величину периферического кровообращения. При анализе объемной реограммы рассчитывались следующие показатели: реографический индекс (РИ), амплитудно-частотный показатель (АЧП), уровень инцизуры и длительность нисходящей части рео-

граммы [12]. Для определения показателей внешнего дыхания (ЧД, ДО, МОД) использовался пневмотахограф (ПТГЗ-01). Газоанализ выдыхаемого воздуха проводили на парамагнитном анализаторе кислорода АК-5 и на газоанализаторе ГАУ-3, предназначенных для измерения парциальных давлений кислорода и углекислого газа. На их основе рассчитывали коэффициент использования кислорода (КИ02) и артерио-венозную разницу по кислороду (АВР02). Объемные показатели внешнего дыхания приводились к условиям BTPS, а показатели газообмена - к стандартным условиям: STPD.

Для оценки приспособительных возможностей кардиореспираторной системы применялись активная ортостатическая проба и нагрузки повышающейся мощности на велоэргометре от 50 до 200 Вт без пауз отдыха.

Статистическая обработка полученных результатов проводилась общепринятыми методами вариационной статистики [13] с применением пакетов программ Microsoft Excel 2000 и Mathcad 2001 Professional. Для оценки достоверности различий нами использовались стандартные значения критерия t по Стьюденту.

При активной смене положения тела в компенсаторно-адаптационных реакциях принимает участие целый комплекс кардиорес-пираторных показателей: ЧСС, УОК, МОД, ДО, ЧД, АВР02, РИ, АЧП, уровень инцизуры и длительность нисходящей части объемной реограм-мы, среди которых нельзя выделить ведущий фактор в адаптации. А при физической нагрузке на велоэргометре выявляются доминирующие системы. Изменения, происходящие при активной смене положения тела в кардиореспираторной системе, можно рассматривать как минимальные сдвиги

[14], и в этом случае проявляются компенсаторно-адаптационные реакции, направленные на устранение первичных эффектов адаптации.

Работу на велоэргометре мощностью в 200 Вт можно принять за пороговую нагрузку, в результате которой нами выделены основные системы и функции организма спортсменов разного возраста и занимающихся различ-

ными видами спорта, и их участие в компенсаторно-адаптационных реакциях организма спортсменов находится в зависимости от вида спорта и возраста.

Для суждения о компенсаторных и адаптивных реакциях организма спортсменов разных возрастных групп и занимающихся различными видами спорта при выполнении ими физических нагрузок повышающейся мощности нами рекомендуется использовать коэффициент комплексной оценки обеспечения организма кислородом, состоящий из показателей кардиореспираторной системы [15]. С увеличением мощности нагрузки данный коэффициент снижался наиболее значительно в группах подростков, спортсменов в возрасте 36-60 лет и занимающихся ациклическими видами спорта, что свидетельствует о ведущей роли дыхания в этих группах при обеспечении организма кислородом. Предлагаемый нами коэффициент показал наличие больших функциональных резервов в группах юношей 17-21 лет и особенно в группе взрослых спортсменов 22-35 лет, занимающихся видами спорта на выносливость. Значительное снижение данного коэффициента в группах подростков 15-16 лет, спортсменов в возрасте 36-60 лет, занимающихся видами спорта на выносливость, а также в группах спортсменов, занимающихся ациклическими видами спорта, независимо от возраста, при выполнении ими нагрузки мощностью 200 Вт отражает в этих группах большую «физиологическую цену» по обеспечению доставки кислорода к работающим скелетным мышцам.

В последнее время в научных исследованиях часто применяется метод корреляционного анализа, который позволяет представить механизмы адаптации организма к физической нагрузке при одновременном сопоставлении многих физиологических функций. Поэтому не возникает сомнений в целесообразности использования корреляционного анализа для установления взаимоотношений между изучаемыми параметрами и степени влияния их друг на друга. Выбор нами данного метода обусловлен тем, что он дает возможность более логично рассмотреть взаимоотношения и взаимо-

связи между показателями, характеризующими кардиореспираторую систему и физическую работоспособность. О тесноте связей между изучаемыми показателями судили по следующей шкале: г < 0,55 указывает на слабую связь; при г = 0,55 - 0,70 связь считается средней; г = 0,70 - 0,85 -сильной; г = 0,85 - 1,00 - тесной.

Результаты корреляционного анализа зависимости показателей физической работоспособности от коэффициента комплексной оценки обеспечения организма кислородом спортсменов мужского пола, разного возраста и занимающихся различными видами спорта при нагрузке повышающейся мощности представлены в табл.1. Из нее видно, что с повышением мощности велоэргометрической нагрузки от 50 до 200 Вт в группах спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость, независимо от возраста, степень выраженности корреляционной связи увеличивается. Особенно это проявилось в отношении абсолютной физической работоспособности и в меньшей мере - относительной. Самые высокие значения корреляционной связи отмечались при нагрузке мощностью в 200 Вт. По-видимому, данная нагрузка является оптимальной для выявления корреляционных связей величин физической работоспособности от показателей кардиореспираторной системы. Если это рассматривать с точки зрения обеспечения организма кислородом, то здесь проявляется одна из закономерностей зависимости физической работоспособности организма от функционального состояния кардиореспираторной системы.

Проявление сильной корреляционной связи коэффициента комплексной оценки по обеспечению организма кислородом с показателями абсолютной и относительной работоспособности в группах юношей и взрослых спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость, позволяет утверждать о необходимости использования данного коэффициента для суждения о компенсаторных и адаптивных реакциях кардиореспираторной системы при выполнении спортсменами физических нагрузок

повышающейся мощности.

В своих исследованиях мы обратили внимание на значительный разброс показателей сердечного выброса, что, по-видимому, связано с неоднородностью обследованного контингента. Поэтому нами был предложен способ распределения спортсменов по типам адаптации кардиореспира-торной системы [16]. За его основу была принята реакция сердечнососудистой и дыхательной систем на велоэргометрическую нагрузку мощностью в 200 Вт, в результате которой спортсмены мужского пола были распределены на 5 групп: инотропный, хронотропный, респираторный, хронтропно-респираторный и инотропно-респираторный. При этом наиболее совершенными оказались типы адаптации, связанные с увеличением инотропной функции сердца.

Одним из показателей центральной гемодинамики, при помощи которого можно сделать заключение о надежности сердечно-сосудистой системы, является ударный выброс. Результаты предыдущих исследований

[15] показали, что ударный выброс увеличивается до определенной частоты сердечных сокращений, т.е. в этом случае, чтобы сделать предположение о надежности биологической системы, не обязательно нагрузку доводить до индивидуального предела. Исходя из этого, мы применяли ступенчато возрастающую нагрузку до мощности в 200 Вт в группах спортсме-пов, распределенных по типам адаптации кардиореспираторной системы. Нами вычислялся диапазон эффективного увеличения ударного выброса, который определялся разностью между ударным выбросом при нагрузке в 200 Вт и насосной функцией сердца в исходном состоянии. В этом случае наибольшие величины мы наблюдали в инотропной группе, что свидетельствует, по нашему убеждению, о высокой сократительной способности миокарда за счет ударного объема крови, тем самым повышается производительность сердца, расширяется диапазон его функциональных возможностей. Следовательно, величина ударного выброса может быть использо-

вана как критерий биологической надежности сердечно-сосудистой системы при нагрузках повышающейся мощности. При этом предельные значения УОК могут быть получены при нагрузках, когда хронотропная реакция сердца не превышает 150 уд/мин.

В некоторых случаях нами наблюдалось увеличение нескольких показателей кардиореспираторной системы. Особенно это проявилось в группе спортсменов, имеющих высокие тотальные размеры тела при индивидуально подобранной велоэргометрической нагрузке, мощность которой доходила до 300 Вт. Это максимальная физическая нагрузка. Выяснение резервных возможностей в условиях повышенных нагрузок привело нас к выводу, что для обеспечения возросших потребностей работающих скелетных мышц в кислороде организму необходимо наличие двух, а в некоторых случаях и трех факторов кардиореспираторной системы (рис.1).

Таким образом, изучение кардиореспираторной системы с помощью комплекса неинвазивных методов исследования привело нас к заключению, что данную систему следует рассматривать как эффекторное звено функциональной системы высшего порядка, обеспечивающую адаптацию организма к различным функциональным нагрузкам. При этом эффектор-ная структура функциональной системы характеризуется постоянными изменениями степени участия составных функциональных элементов и особенностями их сочетания. Физиологическими детерминантами эффектор-ной части функциональной системы являются: инотропная, хронотропная, сосудистая и дыхательная реакции, участие которых зависит от функциональных нафузок.

Литература

[1] Katona F.Q., Poitras J., Barnett О. et al. Cardiac vagal effrut activity

and heart period in the caroted sinus reflex // Am. J. Physiol. 1970. V.218.

N4. P.1030.

[2] Langhorst P. Dynamic characteristics of the «unspecific brain stem

system» // Central Tudcraction Beetween Respiratory and Cardiovascular central systems. New York, 1980. P.30-39. '

[3] Габдрахманов Р.Ш., Попов Ю.М., Гордиевская H.A. Центральные механизмы взаимодействия дыхательной и сердечио-сосудистой систем // Функциональная организация дыхательного центра и его связи с другими системами. Куйбышев, 1990.

[4] Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. М.; 1980.

[5] Судаков К.В. Рефлексы и функциональная система. Новгород, 1997.

[6] Мссрсон Ф.З., Пшенникова М.Г. Адаптация к стрессорным ситуациям и физическим нагрузкам. М.; 1988.

[7] Меделяновский А.Н. Функциональные системы обеспечивающие гомеостаз // Функциональные системы организма. М.; 1987. С.77-103.

[8] Маркосян А.А. Надежность биологической системы - всеобщий закон онтогенеза // Ведущие проблемы советской геронтологии. Киев, 1972. С. 12.4-136

[9] Фарфель B.C. Управление движениями в спорте. М.; 1975.

[10] Kubicek W.G. The Minnecota impedance cardiograph-theory and application // Biomed. Engin. 1974. V.9. № 9. P.410-416.

[11] Пушкарь Ю.Т., Цветков A.A., Хеймец Г.И. Автоматизированное определение МОК методом реографии // Бюллетень ВК НЦ АМН СССР. 1980. № 1. С.45-48.

[12] Акулова Ф.Д. Реография // Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы /Под ред. Т.С.Виноградовой. М.; 1986. С.340-363.

[13] Лакин Г.Ф. Биометрия. Учеб. пос. для биол. спец. вузов. М.; 1990.

[14] Карпман B.JI., Белоцерковский З.Б., Любина Б.Г. и др. Динамика кровообращения при минимальных физических нагрузках // Физио-

логия человека. 1994. Т.20. № 1. С.84-89.

[15] Ванюшин Ю.С. Показатели кардиореспираторной системы у спортсменов разного возраста // Физиология человека. 1998. Т.24. № 3. С.105-108.

[16] Ванюшин Ю.С. Типы адаптации кардиореспираторных функций спортсменов к физической нагрузке // Физиология человека. 1999. Т.25. № 3. С.91-94.

Таблица 1

Корреляционные связи физической работоспособности с коэффициентом комплексной оценки обеспечения организма кислородом (ККО) у спортсменов мужского пола, занимающихся лыжными гонками (1,2), бегом (3,4) и ациклическими видами спорта (5,6) при нагрузке

повышающейся мощности

Условия снятия показателей Показатели Группы спортсменов

1 2 3 4 5 6

I. 0 Вт PWC17o-KKO 0.047 0.354 0.602 0.054 0.144 0.230

Р\*/С|70/кг- кко 0.189 0.258 0.760 0.025 0.377 0.272

50 Вт PWC170-KKO 0.591 0.020 0.577 0.214 - 0.086 0.246

Р\УС|70/кг~ кко 0.416 0.120 0.726 0.371 0.144 0.404

100 Вт Р\УС170-ККО 0.579 0.176 0.682 0.653 0.026 0.019

PWC17o/кг- кко 0.250 0.037 0.796 0.636 0.147 0.214

150 Вт Р\УС,70-ККО 0.757 0.340 0.732 0.692 0.381 0.192

PWC17o/кr- кко 0.618 0.251 0.738 0.485 0.125 0.234

200 Вт PWCI70-KKO 0.761 0.830 0.644 0.697 0.533 0.689

Р\¥С170/кг- кко 0.588 0.825 0.564 0.639 0.220 0.601

Примечание: шрифтом выделено - средняя связь (г = 0.55-0.70), сильная связь (г = 0.70-0.85).

Активный

ортостаз

Нагрузка мощностью 200 Вт

Максимальная нагрузка

Рис. 1. Схематическое представление компенсаторпо-адаптационных реакций кардиореспираторной системы при различных функциональных

нагрузках.