Деятельность кардиореспираторной системы при физической работе

Сердечно-сосудистая система состоит из сердца и сосудов — артерий, вен и капилляров.

Транспортная функция сердечно-сосудистой системы заключается в том, что сердце (насос) обеспечивает продвижение крови по замкнутой цепи сосудов.

Сердце и сосуды составляют систему кровообращения.

Кровь движется по кровеносным сосудам благодаря периодическим сокращениям сердца. Основное назначение постоянной циркуляции крови в организме заключается в доставке и удалении различных веществ. [25].

Сердечная мышца обладает способностью производить свой собственный электрический сигнал — позволяющий ей ритмично сокращаться без нервной стимуляции (автоматизм сердца).

Сердечный цикл включает — расслабление (диастолу) и сокращение (систолу) всех четырех камер сердца. Во время диастолы камеры наполняются кровью. Во время систолы они сокращаются и выбрасывают свое содержимое.

Во время систолы определенное количество крови выбрасывается из левого желудочка. Это — систолический объем крови, или объем крови, выбрасываемый из сердца при одном сокращении. [32, 33].

Кровь проходя через сосуды, оказывает на них давление — оно носит название артериальное давление. Его характеризуют два показателя: систолическое и диастолическое давление.

Систолическое давление крови — более высокий показатель, оно отражает наивысшее давление в артерии и соответствует систоле желудочков сердца Низкий показатель — диастолическое давление. Он отражает самое низкое давление в артерии, соответствующее диастоле желудочков, когда мышца сердца расслаблена.

Лимфатическая система играет главную роль в сохранении соответствующих уровней жидкости в тканях, а также поддержании необходимого объема циркулирующей крови, обеспечивая возврат интерстициальной жидкости. Значение этой функции возрастает при нагрузке, когда увеличенный кровоток к активным мышцам и повышенное давление крови ведут к образованию большего объема интерстициальной жидкости. Лимфатическая система предотвращает переполнение активных участков кровью и способствует эффективной деятельности сердечно-сосудистой системы. 12].

Кровь играет важную роль в регуляции нормального функционирования организма. Следующие три функции имеют особое значение для спортивной и мышечной деятельности:

транспортная, регуляция температуры и кислотно-щелочное равновесие. 15].

Потребность в кислороде активных мышц резко возрастает во время физической нагрузки: используется больше питательных веществ, ускоряются метаболические процессы, поэтому возрастает количество продуктов распада.

При продолжительной нагрузке повышается температура тела.

При интенсивной нагрузке увеличивается концентрация ионов водорода в мышцах и крови, что вызывает снижение pH крови.

Особые изменения происходят со следующими компонентами сердечно-сосудистой системы: частота сердечных сокращений, систолический объем крови, сердечный выброс, кровоток, артериальное давление, кровь. 10]

При выполнении упражнения ЧСС быстро возрастает пропорционально интенсивности нагрузки практически до момента крайнего утомления. По мере приближения этого момента ЧСС начинает стабилизироваться. Это означает, что достигнут максимальный уровень ЧСС. Это очень надежный показатель, который остается постоянным изо дня в день и изменяется незначительно только с возрастом из года в год.

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. Этот показатель — эффективный индикатор производительности сердца: более низкая ЧСС свидетельствует о более производительном сердце. 7]

Систолический объем крови также увеличивается во время нагрузки, обеспечивая более эффективную работу сердца. При почти максимальной и максимальной интенсивности нагрузки систолический объем является главным показателем кардиореспираторной выносливости. Систолический объем определяют четыре фактора:

объем венозной крови, возвращаемой в сердце;

растяжимость желудочков или их способность увеличиваться;

сократительная способность желудочков;

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. 29].

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.

Когда тело находится в горизонтальном положении, кровь не скапливается в нижних конечностях. Она быстрее возвращается в сердце, что и обуславливает более высокие показатели систолического объема в состоянии покоя в горизонтальном положении. Поэтому увеличение систолического объема при максимальной нагрузке не столь велико при горизонтальном положении тела по сравнению с вертикальным. Максимальный показатель систолического объема, который может быть достигнут при выполнении упражнения в вертикальном положении, лишь ненамного превышает показатель в состоянии покоя, когда тело находится в горизонтальном положении. Увеличение систолического объема при низкой или средней интенсивности работы в основном направлено на компенсирование силы тяжести.

По мере того как тело переходит от горизонтального положения к бегу, сердечно-сосудистая система непрерывно производит различные корректирующие действия, позволяющие постепенно увеличивать интенсивность работы. Когда тело переходит из горизонтального положения в вертикальное, систолический объем мгновенно уменьшается. Это обусловлено главным образом действием силы тяжести, заставляющей кровь скапливаться в области ног, что снижает объем крови, возвращающейся к сердцу. Одновременно увеличивается ЧСС. Это увеличение при переходе из горизонтального положения в вертикальное представляет собой адаптацию, направленную на поддержание сердечного выброса. 24, 27].

Увеличение ЧСС при изменении положения тела обеспечивает сохранение величины сердечного выброса, а при увеличении интенсивности физической деятельности — транспорт значительно большего объема крови к работающим мышцам для удовлетворения их потребностей в кислороде. Систолический объем также возрастает при нагрузке, обеспечивая дальнейшее увеличение сердечного выброса. 12].

В начальной стадии физической нагрузки увеличение сердечного выброса обусловлено повышением ЧСС и систолического объема. Когда уровень нагрузки превышает 40−60% индивидуальной возможности, систолический объем демонстрирует либо плато, либо начинает увеличиваться с меньшей скоростью. Дальнейшее увеличение сердечного выброса — результат в основном повышения ЧСС.

Сердечно-сосудистая система еще более эффективна с точки зрения снабжения кровью тех участков, которые в этом нуждаются.

Увеличение интенсивности нагрузки повышает ЧСС. Сердце чаще выбрасывает кровь, тем самым ускоряя кровообращение.

Возрастает систолический объем, поэтому увеличивается количество крови, выбрасываемой при каждом сокращении.

Повышение ЧСС и систолического объема вызывает увеличение сердечного выброса. Поэтому во время нагрузки из сердца выталкивается больше крови, чем во время отдыха, в результате чего ускоряется кровообращение. Это обеспечивает поступление к тканям адекватного количества необходимых материалов — кислорода и питательных веществ, а также более быстрое выведение продуктов распада, которые значительно быстрее образуются во время нагрузки. 29].

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. [19].

С началом движения активные скелетные мышцы начинают испытывать возрастающую потребность в кровотоке, которая удовлетворяется путем общей симпатической стимуляции сосудов тех участков, в которых кровоток предстоит ограничить (например, в почках и пищеварительной системе). Сосуды в этих участках сужаются 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.

Во время физической нагрузки также усиливается метаболизм мышечных тканей, вследствие чего накапливаются продукты метаболического распада. Повышенный метаболизм вызывает увеличение кислотности, углекислого газа и температуры в мышечной ткани. Эти локальные изменения обуславливают расширение сосудов путем ауторегуляции, увеличивая кровоток в локальных капиллярах. 17].

По мере повышения температуры тела вследствие выполнения упражнения либо высокой температуры воздуха значительное большее количество крови направляется к коже, чтобы перенести тепло из глубины тела к периферии Таким образом, поддерживается постоянная температура тела. Увеличение кожного кровотока означает, что кровоснабжение мышц снижено.

При продолжительной нагрузке 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 давление 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. 26, 30].

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 крови во время физической нагрузки, следует различать систолическое и диастолическое давление, поскольку они изменяются по-разному. При физических нагрузках, требующих проявления выносливости, систолическое давление крови повышается пропорционально увеличению интенсивности нагрузки. Систолическое давление, равное в покое 120 мм рт.ст., может превысить 200 мм рт.ст. в состоянии крайней усталости.

Повышенное систолическое давление крови — результат увеличенного сердечного выброса, который сопровождает увеличение интенсивности работы. Оно обеспечивает быстрое перемещение крови по сосудам. Таким образом, повышенное систолическое давление способствует осуществлению оптимального процесса транспорта. 7, 29].

Во время мышечной деятельности, требующей проявления выносливости, диастолическое давление практически не изменяется, независимо от интенсивности нагрузки.

Повышение диастолического давления на 15 мм рт.ст. и более считается аномальной реакцией на нагрузку и одним из многих показателей, свидетельствующих о необходимости немедленно прекратить нагрузку.

Снижение систолического давления крови, если и происходит, является нормальной реакцией и попросту отражает увеличенное расширение артериол в активных мышцах, вызывающее снижение общего периферического сопротивления. 10, 36].

Другой компонент сердечно-сосудистой системы — кровь — жидкость, транспортирующая необходимые вещества в ткани и выводящая продукты обмена. Поскольку во время нагрузки обмен веществ усиливается, значение функций крови также возрастает.

Содержание кислорода. В состоянии покоя содержание кислорода в крови колеблется от 20 мл на 100 мл артериальной крови до 14 мл на 100 мл венозной крови. Разница между этими двумя показателями — артериовенозная разница по кислороду.

С увеличением интенсивности нагрузки артериовенозная разница содержания кислорода постепенно возрастает. Она может увеличиться почти в три раза от состояния покоя до максимальных уровней нагрузки. Это отражается в снижении венозного содержания кислорода. Активным мышцам требуется больше кислорода, поэтому из крови его извлекается больше. Венозное содержание кислорода падает почти до нуля в активных мышцах. Артериальное содержание кислорода остается практически неизменным. 20].

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 (капилляра) в межклеточное пространство. Кроме того, вследствие аккумуляции продуктов распада в активной мышце увеличивается внутримышечное осмотическое давление, притягивая жидкость к мышце. Продолжительная нагрузка может вызвать снижение объема плазмы на 10 — 20% и больше.

Уменьшение объема плазмы отрицательно влияет на мышечную деятельность. При продолжительной физической активности, когда определенную проблему представляет перегрев организма, необходимо снижать общий кровоток в активных тканях, чтобы обеспечить поступление большего количества крови к поверхности кожи и, таким образом, понизить температуру тела. Уменьшенный объем плазмы также увеличивает вязкость крови, что может препятствовать кровотоку и, тем самым, ограничивать транспорт кислорода, особенно если показатель гематокрита превышает 60%. 30].

От кислорода зависит деятельность организма, и он необходим для образования энергии, необходимой для осуществления различных видов активности. Мышечная деятельность, требующая проявления выносливости, зависит от доставки достаточного количества кислорода к мышцам и адекватного клеточного его потребления. Вместе с тем вследствие метаболических процессов, происходящих в активных мышцах, образуется другой газ — диоксид углерода, который в отличие от кислорода токсичен. Для нормальной клеточной деятельности требуется кислород; с повышением уровня диоксида углерода нормальная деятельность нарушается.

Всю работу по обеспечению организма адекватным количеством кислорода и выведению из него углекислого газа выполняет дыхательная система. Она доставляет кислород в наш организм и выводит из него избыток диоксида углерода. 26].

Дыхательная и сердечно-сосудистая системы образуют эффективную систему транспорта кислорода в ткани организма и выведения из них диоксида углерода. Система транспорта включает четыре отдельных процесса:

легочную вентиляцию (дыхание), представляющую собой передвижение газов в легкие и из легких;

диффузию — газообмен между легкими и кровью;

транспорт кислорода и диоксида углерода с кровью;

капиллярный газообмен — газообмен между капиллярной кровью и метаболически активными тканями.

Вдох — активный процесс, в котором участвуют диафрагма и внешние межреберные мышцы. Движение ребер и грудины осуществляется внешними межреберными мышцами. При расширении легких, воздух, находящийся в них, заполняет больше пространства и давление в легких снижается. В результате давление в легких становится меньшим, чем давление окружающего воздуха. Поскольку дыхательные пути открыты, воздух устремляется в легкие, чтобы снизить разность давления. Таким образом, при вдохе в легкие попадает воздух.

В условиях выполнения значительной физической нагрузки осуществлению вдоха способствуют другие мышцы: лестничные и грудино-ключично-сосцевидная, расположенные в области шеи, а также грудные. С их помощью ребра поднимаются выше, чем при обычном дыхании.

В состоянии покоя выдох, как правило, — пассивный процесс, который включает расслабление дыхательных мышц и эластическую тягу легочной ткани. При расслаблении диафрагмы она принимает свое обычное дугообразное положение. В результате расслабления внешних межреберных мышц ребра и грудина опускаются вниз, занимая обычные для состояния покоя положения.

При дыхании с усилием выдох становится более активным процессом. Внутренние межреберные мышцы более активно тянут ребра вниз. Им могут помогать широчайшая мышца спины и поясничная квадратная мышца. Сокращение мышц живота повышает внутрибрюшное давление, вызывая движение внутренних органов вверх к диафрагме и ускоряя ее возврат в исходное дугообразное положение. Эти мышцы, кроме того, тянут грудную клетку вниз и вовнутрь. 8, 12].

Различие парциальных давлений газов в альвеолах и в крови создает градиент давления через легочную мембрану. Это является основой для осуществления газообмена во время диффузии кислорода и углекислого газа Диффузная способность кислорода повышается при переходе из состояния покоя в состояние выполнения физической нагрузки.

Интенсивность доставки и использования кислорода зависит от трех переменных:

содержания кислорода в крови, величины кровотока и локальных усилий.

При выполнении упражнения каждая из этих трех переменных претерпевает изменения, направленные на обеспечение доставки большего количества кислорода к активным мышцам.

Физическая нагрузка усиливает кровоток в мышцах. Усиленный кровоток повышает эффективность доставки и потребления кислорода. 10, 18].

Дыхательные мышцы непосредственно контролируются мото-нейронами, деятельность которых, в свою очередь, регулируется респираторными центрами, расположенными на стволе головного мозга. Эти центры задают частоту и глубину дыхания, периодически посылая импульсы дыхательным мышцам.

Цель дыхания — поддержание соответствующего количества газов в крови и тканях, а также соответствующего pH для обеспечения нормальной клеточной деятельности. 34].

Легочная вентиляция при физической нагрузке.

Начало мышечной деятельности сопровождается усилением легочной вентиляции в два раза. Существенное увеличение происходит почти немедленно, затем следует продолжающееся постепенное увеличение глубины и частоты дыхания. Подобное двухфазное увеличение свидетельствует о том, что первоначальное усиление вентиляции обусловлено механикой движений тела. С началом упражнения, прежде чем происходит любое химическое стимулирование, более активной становится двигательная область коры головного мозга, которая посылает стимулирующие импульсы в центр вдоха; он реагирует на них усилением дыхания. Кроме того, механизм проприоцептивной обратной связи активных скелетных и суставов обеспечивает дополнительную импульсацию, на которую также реагирует дыхательный центр.

Вторая фаза увеличения дыхания обусловлена изменением температуры и химического состава артериальной крови.

Легочная вентиляция увеличивается при физической нагрузке, достигающей почти максимальной интенсивности, прямо пропорционально метаболическим потребностям организма При прекращении физической нагрузки потребности мышц в энергии почти моментально снижаются до уровней, характерных для состояния покоя. В то же время легочная вентиляция возвращается к обычному уровню относительно медленнее. Если частота дыхания максимально соответствует метаболическим потребностям тканей, она снизится до исходного уровня в течение нескольких секунд после завершения физической нагрузки. Однако для восстановления дыхания потребуется несколько минут, что свидетельствует о том, что процесс дыхания после физической нагрузки регулируется главным образом кислотно-щелочным равновесием, давлением и температурой крови. 24, 29].