Биохимические основы спортивной подготовки

БИОХИМИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ РЕКОРДОВ

Биохимические факторы спортивных успехов

Все спортивные действия связаны с мышечной деятельностью. При этом у каждого человека имеется верхний предел способности выполнить ту или иную задачу, связанную с мышечным усилием. При попытке сделать больше мешает усталость, поэтому приходится замедлять или прекращать выполнение элемента. Соответственно и качество, и координация движения ухудшаются. На различиях в физических способностях участников основаны спортивные соревнования, когда каждый участник стремится достигнуть предельных результатов.

Этот вывод применим ко всем действиям, связанным с усилием, скоростью, выносливостью и умением.

Ограничения в осуществлении того или иного элемента многообразны. Но каждый может улучшить выполнение необходимого элемента на своем уровне при соответствующем обучении.

Ключами к успеху в спорте являются врожденный уровень способностей (генетика) и умение обучаться — совершенствовать отрабатываемое движение в процессе тренировок.

Эти два фактора — генетика и способность обучаться, по существу, определены биохимической структурой организма.

Генетический материал — дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)-диктует формирование ферментов. Ферменты, в свою очередь, управляют метаболизмом всех других химических веществ, из которых состоят наши клетки и ткани (см. гл. 12).

С позиций биохимии человеческий организм не более чем собрание органических веществ, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечивать структуру и функции тела.

Структура определяет рост, массу, внешний вид и другие физические характеристики каждого человека. Функция не менее важна, поскольку она определяет силу, скорость, выносливость и навыки индивидуума.

Природа мышления или даже такого более простого атрибута человека, как память, несомненно, имеет биохимическую основу.

Физиология и патология также не более чем физические проявления внутренней биохимии. В конечном счете и психология попадает в ту же категорию.

Понимание реакции организма при выполнении того или иного элемента важно для атлета, который стремится выполнить его наилучшим образом.

Существует множество различных видов спорта. Это дает большие возможности как для тех, кто просто хочет участвовать в местных соревнованиях, так и для тех, кто хочет конкурировать на самом высоком уровне.

Участник местных соревнований получает не только пользу в результате совершенствования физического и умственного состояния, но и эмоциональное удовольствие от непосредственного участия.

Понимание реакции организма при осуществлении упражнений также очень важно в развитии успешных программ физической культуры, которые направлены на борьбу с возрастающей распространенностью болезней, обусловленных гиподинамией — сидячим образом жизни.

Знание биохимии как химии жизни фундаментально для всех перечисленных аспектов. Оно станет еще более необходимым в связи с тем, что наука развивается от простого описания явлений, основанного на наблюдении, к детальному пониманию механизмов, которые контролируют функции организма в целом.

В командных спортивных состязаниях мало возможностей устанавливать рекорды. Стандарты, по которым проводится оценка достижений участников в таких состязаниях, скорее относительные, чем абсолютные.

Цель командных состязаний — победить противника. Однако даже для таких состязаний сохраняются подробные отчеты о действиях команды в целом и индивидуальных действиях игроков. Исключительные способности выдающихся игроков имеют общее признание.

Хоккеисты Старшиновы, футболист Пеле всемирно известны по статистике забитых ими голов. Но гораздо более они знамениты благодаря своей блестящей технике. Молодое поколение знает выдающихся игроков только по фильмам или телевизионным передачам. Со времен, когда не было кино, сохранились лишь фотографии чемпионов при выполнении ими отдельных приемов.

В беговых видах мировые рекорды начали регистрировать с 1886 г. Одна миля была преодолена за 4 минуты и 12 секунд. Это невысокий результат по сравнению с сегодняшними достижениями. Но техника бега первого рекордсмена заслуживает высокой оценки, если учитывать низкое качество дорожек того времени.

Для спортивных соревнований, где результат измеряется, можно зафиксировать рост мировых рекордов за весь период развития соответствующего вида спорта.

Однако и здесь прошлые и современные рекорды не всегда сравнимы, так как в некоторых видах спорта изменились правила или оборудование, что делает невозможным сравнение достижений разных лет.

Например, длина и масса копья были изменены, когда расстояния, достигнутые копьеметателями, настолько возросли, что стали превышать пределы стадиона.

Замена в прыжках с шестом деревянного шеста на алюминиевый, а затем на стеклопластиковый также сделала непригодным сравнение рекордов разных лет.

Однако во многих видах спорта не произошло фундаментальных изменений. Хотя предметом обсуждения могло бы быть появление синтетических беговых дорожек и улучшенных моделей спортивной обуви. Возникает вопрос, насколько это изменило скорость бега при прочих равных условиях.

В спринте на 100 м мужской рекорд всегда был выше, чем женский. На старте спринта на 100 м участники должны быстро реагировать на выстрел стартера и развивать высокую мощность, отталкиваясь от колодок. Во время бега по дорожке они должны максимально долго поддерживать пиковую скорость и замедляться, насколько возможно, позже, в конце бега.

Время пробега дистанции может сокращаться при более быстрой реакции, лучшей способности развивать мощность в активных мускулах, повышенной выносливости (сопротивление усталости) и при сочетании этих качеств.

Рис 13.1. Рост мировых рекордов в спринте на 100 м для мужчин (1) и женщин (2) с. 1912 по 2000 г.

На рис 13.1 показано, как улучшались достижения в спринте на 100 м для мужчин и женщин с 1912 г. (начало официальной регистрации рекордов в этом виде). Изучение графиков на рис. 13.1 позволяет сделать ряд выводов.

• 1. Техника непрерывно совершенствовалась даже в периоды, когда рекорды оставались неизменными.
• 2. Мужской рекорд всегда был выше женского. И, несмотря на то, что разрыв сократился, все еще имеется значительное различие.
• 3. По-видимому, должен существовать предел, по достижении которого дальнейших улучшений результатов не будет. Количественное изучение графиков типа изображенных на рис 13.1 дает возможность рассчитать будущие рекорды. Соответствующий метод называется линейным регрессионным анализом.

Такой анализ данных для мужчин показывает, что не имеется никаких признаков снижения темпа улучшения рекордов (с коэффициентом корреляции (достоверности) 0,944, т. е. высокой степенью достоверности). Из этого анализа следует, что мировые рекорды мужчин на 100 м составят 9,56 с в 2020 г. и 8,95 с в 2100 г.

Однако эти данные можно анализировать по-другому, применяя нелинейное приближение, чтобы более точно описать рекордные результаты. Из такого анализа следует, что имеет место постепенное замедление темпа улучшения результатов.

Только время покажет, которое из этих предсказаний ближе к истине. Большинство предыдущих прогнозов оказались неправильными, как показали последующие достижения. Но с большой долей вероятности можно утверждать, что никакой мужчина или женщина не сможет когда-либо пробежать 100 м за 8 с. Если это так, то окончательный предел должен находится где-нибудь между текущим рекордом и 8-секундной отметкой.

Широко распространено мнение, что улучшения рекордов будут прогрессивно уменьшаться. Однако в ряде случаев это не подтверждается. Дело в том, что даже если темп роста достижений замедляется, методы измерения становятся более точными и время пробега может быть измерено в сотых или даже тысячных долях секунды.

Например, 100 лет назад судьи нс могли определить победителя в академической гребле, если даже первая лодка была примерно на 2 м впереди, когда они пересекли финишную черту. Современная автоматическая регистрация времени электронным прибором и анализ замедленной видеосъемки позволяет судьям объявлять победителем команду при разнице финиша в 30 см.

Факторы, ограничивающие физические возможности человека, представляют интерес для исследователей, чьи научные интересы связаны со спортом. На некоторые из вопросов отвечают ученые-социологи, рассматривающие эти факторы с позиций возможности участия в спорте. Имеет место ослабление социальных ограничений, которые исключали большинство женщин из участия в напряженной физической деятельности. Это объясняет низкую отправную точку и более быстрый прогресс женских достижений в спорте (рис 13.1).

Однако глубокое понимание и решение проблем спорта достигается при совместной работе биологов, физиологов, биохимиков, специалистов по питанию. При этом каждый из специалистов имеет свое представление о причинах, ограничивающих физические возможности человека.

Рис. 13.2. Рост мировых рекордов в марафоне для мужчин (1) и женщин (2) со времени их официальной регистрации

В марафоне, где дистанции многократно превышают спринтерские, олимпийские достижения также существенно улучшились за прошедшие годы. Здесь сравнение проводить проще, так как расстояние давно было стандартизировано и рекорды фиксировались (рис. 13.2).

В этом виде соревнований сила и мощность спортсмена играют незначительную роль по сравнению с выносливостью. Под выносливостью понимают способность упорно трудиться в течение длительных периодов времени, не поддаваясь усталости. В соревнованиях на длинные дистанции выносливость является ключевым фактором.

В марафоне скорость может быть существенна в рывке на финише, но она мала по сравнению со спринтом. Для выносливости во всех случаях важны такие физиологические характеристики, как способность сердечно-сосудистой системы обеспечить снабжение кислородом рабочих мышц, а также способность организма регулировать температуру тела, чтобы предотвратить перегревание.

Энергетический метаболизм на длинных дистанциях остается жизненно необходимым процессом для успешного пробега, как и в спринте.

Углеводы — особенно важные вещества-энергоносители (биотопливо) при физических нагрузках, поэтому организм должен сохранять ограниченные запасы этого важного ресурса, используя, где возможно, вместо углеводов жир как топливо для энергообепечения жизнедеятельности.

Мышцы спортсменов, работающих на выносливость, особенно приспособлены к обеспечению энергией и к выносливости за счет окисления (сжигания) жиров. Эта способность возрастает в результате тренировок.

Усталость может быть связана с кинетикой биохимических процессов энергообеспечения жизнедеятельности, когда скорость образования переносчиков энергии (А ГФ, НАДН и др.) меньше скорости ее потребления работающими мышцами.

На спринтерских дистанциях даже лучшие достижения женщин посредственны по сравнению с лучшими достижениями мужчин. Но лучшие атлеты-женщины были бы впереди мужского населения на открытых соревнованиях. Однако маловероятно, что женщины-чемпионки будут когда-либо побеждать чемпионовмужчин. Это, по крайней мере частично, обусловлено действием мужского гормона тестостерона на рост мышц и агрессивность. Оба эти фактора важны при необходимости проявления мощности и силы.

Имеются также другие физиологические и биохимические различия между представителями мужского и женского пола, позволяющие утверждать, что мужчины-чемпионы всегда будут побеждать женщин-чемпионок.

Рис. 13.3. Рост мировых рекордов в поднятии тяжестей у мужчин (/) и женщин (2) с начала их официальной регистрации В тяжелой атлетике, связанной с подъемом тяжестей, используется простое оборудование. Здесь возможно проводить адекватное сравнение рекордов в разные годы, хотя правила выполнения движений несколько менялись. Рост рекордов, несомненно, указывает на большую производительность и силу мышц современных чемпионов, чем у их предшественников (рис. 13.3).

При решении проблем, связанных с улучшением спортивных достижений, возникает естественный вопрос относительно пределов человеческих возможностей в различных спортивных дисциплинах.

В основе силы, мощности, выносливости и техники исполнения физических упражнений лежат биохимические процессы, протекание которых определяется главным образом генетикой человека и его адаптацией к обучению в ходе тренировок. Большую роль играют и другие факторы: психологическое состояние, способность воспринимать указания тренера, график состязаний, боязнь травмирования. Следует учитывать также, что улучшение рекордов могло быть связано с применением запрещенных препаратов — наркотиков, анаболиков (стероиды, гормон роста, эритропоэтин) и различных стимуляторов.

Лимитирующий фактор при выполнении того или иного элемента зависит от вида спорта. В видах, требующих силы и мощности, критическим фактором является способность мышц создавать необходимое усилие. Эта способность зависит в значительной степени от биохимических взаимодействий между молекулами белков актина и миозина в мышечном элементе — саркомере. В результате таких взаимодействий мышечные волокна сжимаются или растягиваются. Чем больше этих сокращающихся белков в мышце, тем большее силовое усилие может быть выполнено.

Для выполнения работы мышцы должны снабжаться энергией, источником которой является аденозилтрифосфат (АТФ), запасенный в клетках мышцы — миоцитах. Чем быстрее выполняется работа, тем больше должен быть запас АТФ. С точки зрения биохимика усталость — результат недостаточной скорости поступления энергии от АТФ к мышечным волокнам.

Очевидно, что в спринте скорость совершаемой работы (мощность) должна быть больше, чем на средних дистанциях. При этом максимально достижимая мощность снижается по мере преодоления дистанции. Существует оптимум для расхода мышечных запасов АТФ между достижением максимальной мощности и способностью поддерживать скорость на всей дистанции.

Знание биохимии спорта позволяет проследить метаболические пути накопления и расхода АТФ. понять, где находится оптимум предела достижений в разных видах состязаний и как достичь его с помощью тренировок, диеты и других методик.

Биохимические процессы в организме в конечном счете определяют все факторы, ограничивающие выполнение того или иного элемента, но эти процессы не должны рассматриваться по отдельности.

Чтобы улучшить результаты в спорте, сначала необходимо понять все факторы. которые определяют предел возможных достижений.

Возможно, что недостаточное поступление АТФ — фундаментальная причина усталости. Но способность производить АТФ может быть ограничена также физиологическими механизмами, например способностью сердечно-сосудистой системы снабжать рабочие мышцы кислородом и питательными веществами. Поэтому биохимические ограничения и не могут рассматриваться бессистемно.

В тех видах спорта, где техника исполнения является ключевым фактором, важную роль играет центральная нервная система. Мозг должен управлять действиями мышц координированно, так как техника исполнения включает передачу сигналов от мозга по нервным волокнам непосредственно к мышцам. Но все эти процессы — также, по существу, биохимические реакции.

Тренировка может улучшать физиологические функции. Это осуществляется направленной стимуляцией синтеза и расщепления белков в различных тканях. Физиологический эффект, в частности, проявляется в увеличенной способности сердца прокачивать кровь по кругам кровообращения. Такой эффект тоже обусловлен биохимическими изменениями в сердце и кровеносных сосудах.

Специальные диеты также могут улучшать спортивные результаты. Но и это воздействие осуществляется через биохимию организма. Спецпитание может стимулировать увеличение доставки энергии для мышц и поступления молекул, существенно необходимых для клеточной функции или модуляции изменений в синтезе новых белков в ответ на тренировки.

Понимание научных основ достижения высоких результатов позволяет планировать тренировки и соревнования так, чтобы спортсмен мог достичь лучших результатов с уменьшенным риском травмирования и заболевания.

По мере того как спортивные достижения улучшались, развивались научные подходы к обеспечению эти успехов. В наше время ведущие спортсмены и команды поддерживаются медиками и учеными разного профиля, включая физиологов, биомехаников, биохимиков и диетологов.

Среди медиков, обеспечивающих поддержку команды, сеть врачи общей практики, кардиологи, физиотерапевты, травматологи и др. Каждому из этих специалистов знание научных основ спортивных достижений позволяет лучше планировать тренировки и соревнования.

Многие факторы внесли вклад в развитие нашего понимания пределов спортивных достижений, и работа многочисленных ученых обеспечила устойчивое продвижение в этом направлении.

Иногда происходят рывки благодаря внедрению новых идей или новой техники, которая дает новую информацию. Но обычно имеет место медленное и устойчивое накопление новой информации. Ученым, деятельность которых связана со спортом, теперь доступен широкий диапазон биохимических методов. Применение этих методов, разработанных для использования в биохимических лабораториях и в клинической медицине, гарантирует, что спортивная наука будет и дальше развиваться. Чтобы улучшить результаты в спорте, сначала необходимо понять все факторы, которые определяют предел возможных достижений.

Вопросы к разд. 13.1

• 1. Оцените биохимические факторы, которые определяют успех в спорте.
• 2. Опишите факторы, которые внесли вклад в усовершенствование мировых рекордов в спорте в течение прошлого столетия.
• 3. Назовите факторы, которые ограничивают выполнение различных упражнений и определяют успех в спорте.
• 4. Опишите суть дефицита аденозилтрифосфата как биохимической причины усталости.