Физиология марафонов
Физиология марафонцев обычно связана с высокими требованиями к марафонца сердечно -сосудистой системе и опорно-двигательному аппарату . Марафон был задуман много веков назад и в последнее время набирает популярность среди многих групп населения по всему миру. человека Дистанция 42,195 км (26,2 мили) — это физическое испытание, которое влечет за собой определенные особенности энергетического метаболизма . Марафонцы финишируют в разное время из-за индивидуальных физиологических особенностей.
Взаимодействие между различными энергетическими системами отражает суть существования определенных физиологических особенностей марафонцев. Различная эффективность определенных физиологических особенностей у марафонцев свидетельствует о разном времени финиша среди элитных марафонцев, которые имеют сходство во многих физиологических характеристиках. Помимо больших аэробных возможностей и других биохимических механизмов, внешние факторы, такие как окружающая среда и правильное питание марафонца, могут способствовать пониманию того, почему результаты марафона варьируются, несмотря на идеальные физиологические характеристики, полученные бегуном.
История
[ редактировать ]Первый марафон, возможно, был пробежкой на 25 миль Фидиппидом , греческим солдатом , который бежал в Афины из города Марафон в Греции , чтобы доставить известие о боевой победе над персами в 490 году до нашей эры. Согласно этому мнению, он вскоре упал замертво от истощения. после прибытия в Афины . [ 1 ] Тысячи лет спустя марафонский бег стал частью мирового спорта, начиная с первого марафона на современных Олимпийских играх 1896 года . Примерно через 40 лет прохождения различных дистанций поход длиной 42,195 километра (26,2) мили стал стандартным. За этот период количество марафонов в США выросло более чем в 45 раз. [ 2 ]
С ростом популярности эта научная область получила большую основу для анализа некоторых физиологических характеристик и факторов, влияющих на эти черты, которые привели к смерти Фидиппида. Высокие физические и биохимические требования марафонского бега и различия во времени финиша создают сложную область исследований, которая запутывает множество аспектов человеческих способностей.
Энергетические пути во время тренировки
[ редактировать ]Люди усваивают пищу для передачи потенциальной энергии из пищи в аденозинтрифосфат (АТФ). Эта молекула обеспечивает человеческому организму мгновенно доступную форму энергии для всех функций клеток организма. [ 3 ] При физических нагрузках человеческое тело предъявляет повышенную потребность в АТФ, чтобы обеспечить себя достаточным количеством энергии для поддержания всех соответствующих изменений в организме во время работы. В упражнениях задействованы три энергетические системы: фосфогенный, анаэробный и аэробный энергетические пути. [ 4 ] Одновременное действие этих трех энергетических путей определяет приоритет одного конкретного пути над другими в зависимости от типа упражнений, в которых участвует человек. Эта дифференциальная расстановка приоритетов основана на продолжительности и интенсивности конкретного упражнения. Переменное использование этих энергетических путей играет центральную роль в механизмах, поддерживающих длительные и устойчивые упражнения, такие как бег марафона.
фосфогенный
[ редактировать ]Фосфогенный (АТФ-ФХ) анаэробный энергетический путь восстанавливает АТФ после его распада посредством креатинфосфата, хранящегося в скелетных мышцах . Этот путь является анаэробным, поскольку для синтеза или использования АТФ не требуется кислород . Восстановление АТФ длится примерно первые 30 секунд тренировки. [ 3 ] Такая высокая скорость производства АТФ необходима в начале тренировки. Количество креатинфосфата и АТФ, хранящихся в мышцах , невелико, легкодоступно и быстро используется благодаря этим двум факторам. Поднятие тяжестей или спринтерский бег — примеры упражнений, в которых используется этот энергетический путь.
Анаэробный
[ редактировать ]Анаэробный гликолитический энергетический путь является источником энергии человека после первых 30 секунд упражнения и до 3 минут после него. Первые 30 секунд тренировки наиболее сильно зависят от фосфогенного пути производства энергии. Посредством гликолиза расщепление углеводов из запасов глюкозы в крови или гликогена в мышцах дает АТФ для организма без необходимости в кислороде. [ 4 ] Этот энергетический путь часто считают переходным путем между фосфогенным энергетическим путем и аэробным энергетическим путем, поскольку этот путь начинается и заканчивается в момент тренировки. Бег на 300–800 метров является примером упражнения, в котором используется этот путь, поскольку он обычно более интенсивен, чем упражнения на выносливость, и длится всего 30–180 секунд, в зависимости от тренировки.
Аэробный (окислительный)
[ редактировать ]Аэробный энергетический путь — третий и самый медленный путь производства АТФ, зависящий от кислорода. Этот энергетический путь обычно обеспечивает основную часть энергии организма во время тренировки — через три минуты от начала тренировки до ее конца или когда человек испытывает усталость. Организм использует этот энергетический путь для упражнений низкой интенсивности, которые длятся более трех минут, что соответствует скорости, с которой организм вырабатывает АТФ с использованием кислорода. [ 3 ] Эта энергетическая система важна для спортсменов, занимающихся выносливостью, таких как марафонцы, триатлонисты, лыжники и т. д. Аэробный энергетический путь способен производить наибольшее количество АТФ из этих трех систем. Во многом это связано со способностью этой энергетической системы преобразовывать жиры , углеводы и белки в состояние, которое может поступать в митохондрии , место аэробного производства АТФ. [ 5 ]
Физиологические особенности марафонцев
[ редактировать ]Аэробная способность (VO 2Max )
[ редактировать ]У марафонцев аэробные способности выше среднего, часто на 50% выше, чем у обычно активных людей. [ 6 ] Аэробная способность или VO 2Max — это способность человека максимально поглощать и потреблять кислород во всех тканях организма во время изнурительных физических упражнений. [ 7 ] Аэробная способность служит хорошим показателем интенсивности упражнений, поскольку она является верхним пределом физической работоспособности. Человек не может выполнять какие-либо упражнения при 100% VO 2Max в течение длительного периода времени. [ 7 ] Марафон обычно пробегают примерно с 70-90% от VO 2Max , и дробное использование аэробных возможностей служит ключевым компонентом марафонских результатов. [ 6 ] Физиологические механизмы, из которых состоит аэробная способность или VO 2Max, — это транспортировка/распределение крови и использование этого кислорода в мышечных клетках. [ 7 ] VO 2Max — один из наиболее ярких показателей эффективности упражнений на выносливость. VO 2Max элитного бегуна при максимальной нагрузке почти в два раза превышает показатель здорового или тренированного взрослого человека при максимальной нагрузке. [ 8 ] Марафонцы демонстрируют физиологические характеристики, которые позволяют им справляться с высокими требованиями бега на 26,2 мили (42,195 км).
Компоненты аэробной способности
[ редактировать ]человека Основными компонентами VO 2Max являются свойства аэробной способности, которые влияют на дробное использование (%VO 2Max ) этой способности поглощать и потреблять кислород во время изнурительных упражнений. Транспортировка большого количества крови в легкие и из легких для достижения всех тканей организма зависит от высокого сердечного выброса и достаточного уровня общего гемоглобина в организме . Гемоглобин — это белок, переносящий кислород в клетках крови , который переносит кислород из легких в другие ткани организма через систему кровообращения . [ 9 ] Для эффективной транспортировки кислорода кровью во время марафона распределение крови должно быть эффективным. Механизмом, который обеспечивает такое распределение кислорода в мышечных клетках, является мышечный кровоток. [ 10 ] 20-кратное увеличение местного кровотока в скелетных мышцах необходимо спортсменам, занимающимся выносливостью, например, марафонцам, для удовлетворения потребности мышц в кислороде при максимальной нагрузке, которая в 50 раз выше, чем в состоянии покоя. [ 10 ] При успешной транспортировке и распределении кислорода в крови извлечение и использование крови в скелетных мышцах приводит к увеличению аэробной способности марафонца и общему улучшению его результатов на марафоне. Извлечение кислорода из крови осуществляется миоглобином в клетках скелетных мышц, которые принимают и хранят кислород. [ 9 ] Эти компоненты аэробной способности помогают определить максимальное поглощение и потребление кислорода тканями организма во время изнурительных упражнений.
Ограничения аэробной способности (VO 2Max )
[ редактировать ]Сердечный
[ редактировать ]У марафонцев часто наблюдаются увеличенные размеры сердца и снижение частоты сердечных сокращений в состоянии покоя, что позволяет им достичь более высоких аэробных возможностей. [ 7 ] [ 11 ] Хотя эти морфологические и функциональные изменения в сердце марафонца помогают максимизировать его аэробные способности, эти факторы также определяют предел для человека, позволяющего максимально поглощать и потреблять кислород в тканях своего тела во время упражнений на выносливость. Увеличенные размеры сердца позволяют человеку достичь большего ударного объема . Сопутствующее уменьшение ударного объема происходит при первоначальном увеличении частоты сердечных сокращений в начале тренировки. [ 6 ] Максимальная частота пульса, которую может достичь человек, ограничена и снижается с возрастом (расчетная максимальная частота пульса = 220 – возраст в годах). [ 12 ] Несмотря на увеличение размеров сердца, аэробные возможности марафонца ограничиваются этой ограниченной и постоянно снижающейся частотой сердечных сокращений . Аэробные способности спортсмена не могут постоянно увеличиваться, поскольку его максимальная частота сердечных сокращений позволяет перекачивать только определенный объем крови. [ 12 ] [ 7 ]
Пропускная способность кислорода
[ редактировать ]У человека, бегущего марафон, наблюдается приток крови к скелетным мышцам. Такое распределение крови максимизирует извлечение кислорода скелетными мышцами для аэробного производства столько АТФ, сколько необходимо для удовлетворения спроса. Для достижения этого объем крови увеличивается. [ 7 ] Первоначальное увеличение объема крови во время марафонского бега может позже привести к уменьшению объема крови в результате повышения внутренней температуры тела, изменений pH в скелетных мышцах и повышенного обезвоживания, связанного с охлаждением во время таких упражнений. Сродство крови к кислороду зависит от объема плазмы крови и общего уменьшения объема крови. Обезвоживание , разница в температуре и pH между легкими и мышечными капиллярами могут ограничить способность человека частично использовать свои аэробные возможности (%VO 2Max ). [ 7 ] [ 13 ]
Вторичные ограничения
[ редактировать ]марафонца, Другие ограничения, влияющие на VO 2Max включают легочную диффузию , митохондрий активность ферментов и плотность капилляров. Эти характеристики марафонца могут быть больше, чем у нетренированного человека, но их верхний предел определяется организмом. Улучшенная активность ферментов митохондрий и повышенная плотность капилляров, вероятно, способствуют увеличению количества АТФ, вырабатываемого аэробно. Это увеличение происходит только до определенного момента и помогает определить пиковую аэробную способность. [ 7 ] Легочная диффузия у этих людей, особенно у здоровых людей, сильно коррелирует с VO 2Max и может ограничивать этих людей в неспособности эффективно насыщать гемоглобин кислородом из-за большого сердечного выброса . [ 7 ] [ 14 ] Более короткое время прохождения большего количества крови, перекачиваемой в единицу времени, можно объяснить недостаточным насыщением кислородом, которое часто наблюдается у хорошо тренированных спортсменов , таких как марафонцы. Не весь вдыхаемый воздух и его компоненты попадают в легочную систему из-за анатомического мертвого пространства человеческого тела , которое с точки зрения физических упражнений является источником потери кислорода. [ 15 ]
Текущая экономика
[ редактировать ]является одним из наиболее важных показателей эффективности марафона, Несмотря на то, что высокий показатель VO 2Max он является лишь одним из факторов, которые могут повлиять на результаты марафона. Экономия бега марафонца — это его немаксимальная потребность в кислороде на определенных скоростях. Эта концепция экономии бега помогает объяснить разное время марафона для бегунов с одинаковыми аэробными способностями. [ 11 ] Потребление кислорода в устойчивом состоянии, используемое для определения экономичности бега, демонстрирует затраты энергии на бег на скорости ниже максимальной. Это часто измеряется объемом потребляемого кислорода в литрах или миллилитрах на килограмм массы тела в минуту (л/кг/мин или мл/кг/мин). [ 6 ] Расхождения во времени победных выступлений различных марафонцев с практически одинаковыми значениями VO 2Max и %VO 2Max можно объяснить разным уровнем потребления кислорода в минуту при одинаковых скоростях. По этой причине можно видеть, что Джим МакДона пробежал марафон быстрее, чем Тед Корбитт, в своих победных выступлениях по сравнению с Корбиттом. Эта более высокая потребность в потреблении кислорода ниже максимального (3,3 л кислорода в минуту у Корбитта против 3,0 л кислорода в минуту у МакДонаха) положительно коррелирует с более высоким уровнем расхода энергии при работе с той же скоростью. [ 6 ]
Экономичность бега (эффективность) можно считать важным фактором результативности элитного марафона, поскольку расход энергии слабо коррелирует с увеличением средней скорости бегуна. [ 6 ] Неравенство в экономичности бега, обуславливающее различия в результатах марафона и эффективности этих бегунов, иллюстрирует незначительные различия в общих расходах энергии при беге на более высоких скоростях, чем у спортсменов-любителей.
Лактатный порог
[ редактировать ]Скорость марафонца при лактатном пороге сильно коррелирует с его результатами. Лактатный порог или анаэробный порог считается хорошим показателем способности организма эффективно перерабатывать и переводить химическую энергию в механическую . [ 7 ] Марафон считается аэробным доминирующим упражнением, но при более высокой интенсивности, связанной с высокими показателями, используется больший процент анаэробной энергии. Лактатный порог — это точка пересечения между преимущественно аэробным и анаэробным использованием энергии. Это пересечение связано с неспособностью анаэробной энергетической системы эффективно производить энергию, что приводит к накоплению лактата в крови, что часто связано с мышечной усталостью . [ 16 ] У спортсменов, тренирующихся на выносливость, увеличение концентрации лактата в крови наблюдается примерно при 75–90% VO2Max , что напрямую соответствует уровню VO2Max , пробегаемого марафонцем. При такой высокой интенсивности, продолжающейся более двух часов, производительность марафонца требует большего производства энергии, чем то, которое обеспечивается исключительно за счет митохондриальной активности. Это приводит к более высокому соотношению анаэробной и аэробной энергии во время марафона. [ 7 ] [ 16 ] Чем выше скорость и фракционное использование аэробных возможностей человека на лактационном пороге, тем лучше его общая работоспособность.
Существует неопределенность относительно того, как порог лактата влияет на выносливость. Вклад в накопление уровня лактата в крови объясняется потенциальной гипоксемией скелетных мышц , а также выработкой большего количества глюкозы , которая может быть использована в качестве энергии. [ 11 ] [ 7 ] Неспособность установить единый набор физиологических факторов, влияющих на влияние накопления лактата в крови на тренирующегося человека, создает корреляционную роль порога лактата в марафонских результатах, а не причинную роль. [ 17 ]
Альтернативные факторы, способствующие результативности марафона
[ редактировать ]Топливо
[ редактировать ]Чтобы поддерживать бег с высокой интенсивностью, марафонец должен иметь достаточные запасы гликогена . Гликоген можно найти в скелетных мышцах или печени . При низком уровне запасов гликогена в начале марафона преждевременное истощение этих запасов может снизить производительность или даже помешать завершению забега. [ 6 ] [ 7 ] Производство АТФ аэробными путями может быть дополнительно ограничено истощением гликогена. Свободные жирные кислоты служат механизмом экономии запасов гликогена . Искусственное повышение уровня этих жирных кислот наряду с тренировками на выносливость демонстрирует способность марафонца выдерживать более высокие нагрузки в течение более длительных периодов времени. Длительное поддержание интенсивности бега объясняется высокой скоростью обмена жирных кислот, что позволяет бегуну сохранять запасы гликогена на более позднем этапе забега. [ 11 ]
Некоторые предполагают, что прием моносахаридов в низких концентрациях во время гонки может замедлить истощение гликогена. Эта более низкая концентрация, в отличие от высокой концентрации моносахаридов, предлагается как средство поддержания более эффективного опорожнения желудка и более быстрого поглощения этого источника энергии кишечником. [ 11 ] Углеводы могут быть наиболее эффективным источником энергии для АТФ. Вечеринки с макаронами и употребление углеводов в дни, предшествующие марафону, — обычная практика марафонцев всех уровней. [ 6 ] [ 18 ]
Терморегуляция и потеря жидкости в организме
[ редактировать ]Поддержание внутренней температуры тела имеет решающее значение для работоспособности и здоровья марафонца. Неспособность снизить повышающуюся внутреннюю температуру тела может привести к гипертермии . Чтобы уменьшить тепло тела, организм должен удалять метаболически вырабатываемое тепло посредством потоотделения (также известное как испарительное охлаждение). Рассеяние тепла за счет испарения пота может привести к значительной потере воды в организме. [ 11 ] Марафонец может потерять около 8% воды от массы тела. [ 6 ] Замена жидкости ограничена, но может помочь снизить внутреннюю температуру. Замещение жидкости физиологически сложно во время упражнений такой интенсивности из-за неэффективного опорожнения желудка. Частичная замена жидкости может помочь избежать перегрева тела марафонца, но ее недостаточно, чтобы поспевать за потерей жидкости за счет испарения пота.
Факторы окружающей среды
[ редактировать ]Факторы окружающей среды, такие как сопротивление воздуха , дождь , местность и жара, способствуют способности марафонца выступать в полную силу своих физиологических способностей. Факторами являются сопротивление воздуха или ветер, а также местность марафонской дистанции (холмистая или равнинная). [ 11 ] [ 7 ] Дождь может повлиять на результаты, утяжелив одежду бегуна. Температура, особенно жара, является самым сильным экологическим препятствием для марафонских результатов. [ 19 ] Повышение температуры воздуха влияет на всех бегунов одинаково. Эта отрицательная корреляция повышенной температуры и сокращения времени забега связана с госпитализацией марафонцев и гипертермией , вызванной физической нагрузкой . Существуют и другие факторы окружающей среды, менее непосредственно связанные с результатами марафона, такие как загрязняющие вещества в воздухе и даже призовые деньги, связанные с самим конкретным марафоном. [ 19 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джеймс Р. (30 октября 2009 г.). «Марафон» . Время . ISSN 0040-781X . Проверено 29 апреля 2018 г.
- ^ Хатчинсон А. «Как марафон изменился с течением времени?» . Мир бегуна . Проверено 29 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Объяснение трех основных энергетических путей» . www.acefitness.org .
- ^ Перейти обратно: а б Дитон М. «Биоэнергетика и спортсмен-олимпийец» .
- ^ «Основные упражнения: лучшее понимание нашего аэробного энергетического пути» . blog.nasm.org . 19 февраля 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Костилл Д.Л. (август 1972 г.). «Физиология марафонского бега». Журнал Американской медицинской ассоциации . 221 (9): 1024–9. дои : 10.1001/jama.1972.03200220058013 . ПМИД 5068289 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н Сперлих Б., Циннер С. (2016). Марафонский бег: физиология, психология, аспекты питания и тренировок . Швейцария: Международное издательство Springer. ISBN 978-3-319-29726-2 .
- ^ Сперрин П.Н. (1983). Спорт и медицина . Лондон: Баттервортс. ISBN 978-0-407-00270-8 . OCLC 9393873 .
- ^ Перейти обратно: а б «Гемоглобин и функции железа» . Медицинский центр UCSF . Проверено 25 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сарелиус I, Пол У (август 2010 г.). «Контроль мышечного кровотока во время тренировки: местные факторы и интегративные механизмы» . Акта Физиологика . 199 (4): 349–65. дои : 10.1111/j.1748-1716.2010.02129.x . ПМК 3157959 . ПМИД 20353492 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Сьёдин Б., Сведенхаг Дж. (март 1985 г.). «Прикладная физиология марафонского бега». Спортивная медицина . 2 (2): 83–99. дои : 10.2165/00007256-198502020-00002 . ПМИД 3890068 . S2CID 19651734 .
- ^ Перейти обратно: а б «Целевая частота пульса и расчетная максимальная частота пульса» . Центры США по контролю заболеваний (CDC) . Проверено 26 апреля 2018 г.
- ^ Майрбёрль Х (12 ноября 2013 г.). «Эритроциты в спорте: влияние физических упражнений и тренировок на снабжение кислородом эритроцитами» . Границы в физиологии . 4 : 332. дои : 10.3389/fphys.2013.00332 . ПМЦ 3824146 . ПМИД 24273518 .
- ^ Заворский Г.С., Уилсон Б., Харрис Дж.К., Ким DJ, Карли Ф., Мэйо Н.Е. (апрель 2010 г.). «Легочная диффузия и аэробная способность: есть ли связь? Имеет ли значение ожирение?». Акта Физиологика . 198 (4): 499–507. дои : 10.1111/j.1748-1716.2009.02059.x . ПМИД 19912149 . S2CID 205920858 .
- ^ «Мёртвое пространство» . oac.med.jhmi.edu . Проверено 29 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Анаэробный порог» . Сайт SportsMed . Проверено 29 апреля 2018 г.
- ^ Фауде О, Киндерманн В, Мейер Т (2009). «Концепции лактатного порога: насколько они обоснованы?». Спортивная медицина . 39 (6): 469–90. дои : 10.2165/00007256-200939060-00003 . ПМИД 19453206 . S2CID 31839157 .
- ^ Осовский А. «Рекомендации для марафонцев» (PDF) .
- ^ Перейти обратно: а б Эль Хелу Н., Таффлет М., Бертло Г., Толайни Дж., Марк А., Гийом М., Оссвирт С., Туссен Ж.Ф. (май 2012 г.). «Влияние параметров окружающей среды на результаты марафонского бега» . ПЛОС ОДИН . 7 (5): e37407. Бибкод : 2012PLoSO...737407E . дои : 10.1371/journal.pone.0037407 . ПМК 3359364 . ПМИД 22649525 .