Биологическое обоснование технологии применения внетренировочных средств для повышения работоспособности спортсменов высокой квалификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биологическое обоснование технологии применения внетренировочных средств для повышения работоспособности спортсменов высокой квалификации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. При многолетних занятиях спортом большое значение приобретает решение проблемы адаптации организма атлета к прогрессирующему воздействию многократно используемых вариантов физической нагрузки. Чем выше квалификационный уровень спортсмена, тем ближе к пределу его биологических возможностей находится состояние функционирования организма. Тем сложнее ожидать адекватного эффекта от применения повторяющихся вариантов тренирующих воздействий, а интенсификация нагрузки часто приводит к переутомлению и заболеваниям. При неблагоприятном развитии адаптации возможно появление признаков адаптагенной патологии, при которых, вследствие срыва адаптационных механизмов могут наблюдаться падение прироста спортивных результатов и, даже, деградация тканей (Уилмор Дж., Костилл Д., 2001). Такие явления приводят к травмам, способствуют преждевременному уходу из спорта талантливых атлетов. Возникает необходимость в инновационных эффективных методах оптимизации биологической структуры функционирования организма с целью повышения работоспособности и, одновременно, снижающих риск профессиональных заболеваний.

В теории функциональных систем Анохин П.К. (1974) доказал, что живой организм должен рассматриваться как целостная интегративная функциональная система. Существует множество доказательств приспособительного изменения композиционного состава и уровней отдельных функций при устойчивом поведении всего организма в соответствии с «системообразующим фактором». Судаков К.В., 1987, Аршавский И.А., Шидловский В.А., 1973 и др. показали, что организм при решении «потребного результата» стремиться к поддержанию гомеостаза всего организма, а не к стабилизации реакций отдельных функциональных элементов. Нами показано, что достижение рекордного спортивного результата, как правило, осуществляется при различных соотношениях уровней функционирования отдельных систем организма у разных спортсменов. Однако в спортивной биологии количество работ, посвященных исследованию механизмов адаптации целостного организма при решении задач повышения работоспособности и сохранения здоровья атлетов недостаточно. Кроме того, в работах П.К. Анохина отсутствуют исследования по обоснованию и внедрению эффективных средств и методов воздействий на локомоторные функциональные системы с целью повышения работоспособности и сохранения здоровья спортсменов. Актуальность разработки таких направлений несомненна.

И.П. Ратов создал теорию «искусственной управляющей среды», в которой акцентировал внимание на необходимости применения «нетрадиционных» тренировочных средств с целью повышения спортивного результата. Применение этих средств носит системный характер. Однако в его теории отсутствуют данные соответствия применения этих средств характеру того или иного физического упражнения, технологическая последовательность их использования, биологические закономерности воздействия этих средств на организм. В процессе изучения «нетрадиционных средств» подготовки нами была обнаружена различная степень эффективности их использования при выполнении разных физических упражнений. Поэтому биологическое обоснование технологии применения такого рода средств для повышения работоспособности при выполнении разных локомоций весьма актуально.

Следует констатировать отсутствие системы и технологии применения специальных дополнительных средств экстренного повышения работоспособности при условии уменьшения риска профессиональных заболеваний. К сожалению, редки сведения о внедрении таких средств в подготовку спортсменов высокой квалификации. С нашей точки зрения необходимо уделить большее внимание направлению исследований в области разработки методов и средств биологического моделирования локомоторной функциональной системы, сопровождающихся усилением механизмов релаксации и экономичности функционирования всего организма. Такие работы, обоснованно придающие большее значение расслаблению скелетных мышц и тормозящему влиянию центральной нервной системы, нежели возбуждающим сигналам, появляются в последнее время (Высочин Ю.В., Денисенко Ю.П., 2000-2007). Однако содержание этих работ направлено на создание отдельных систем подготовки, не используемых непосредственно при выполнении специальных физических упражнений. Есть работы, в которых на основе предварительной диагностики и коррекции тренировочной программы производится целевое изменение соотношения компонентов мышечных волокон и, как следствие, оптимизация локомоторной системы в соответствии с поставленной двигательной задачей. Однако инструментом преобразования служат тренировочные воздействия и специальное питание в течение длительного периода (Селуянов В.Н. с соавт., 2006)

Целью исследования является биологическое обоснование технологической системы применения внетренировочных* средств для повышения работоспособности с учетом сохранения здоровья спортсменов.

Объект исследования. Средства и методы повышения общей и специальной работоспособности спортсменов.

Предмет исследования. Биологические закономерности построения локомоторной функциональной системы и повышения работоспособности спортсменов.

Научная гипотеза. Было предположено, что специфическое и целенаправленное воздействие внетренировочного средства, предназначенное для обеспечения дополнительного ресурса и снятия ограничительных возможностей главного функционального звена движения, оптимизирует локомоторную функциональную систему за счет усиления реципрокного механизма взаимодействия и релаксации скелетных мышц, повышения экономичности функционирования и приведет к срочной адаптации организма спортсмена в целом. Предполагалось также, что реализация предлагаемого подхода построения локомоторной функциональной системы позволит повысить уровень работоспособности, снизит вероятность появления признаков адаптагенной патологии, получения травм и заболеваний.

Задачи исследования.

1. Обосновать целесообразность воздействия на главное функциональное звено локомоторной функциональной системы с целью обеспечения ему дополнительного двигательного ресурса.

2. Исследовать структуру и степень изменения гемодинамических, метаболических и биохимических показателей под влиянием многолетних занятий спортом.

3. Разработать технологию определения главного функционального звена специальных локомоторных действий в разных видах спорта.

4. Разработать метод биологического моделирования локомоторного акта, включающий технологию выбора и способа применения внетренировочных средств.

5. Проверить на практике влияние применения динамической электростимуляции в качестве контактного внетренировочного средства прямого действия на электроактивность мышц, газообмен, гормональную регуляцию, биомеханическую и фазовую структуру движений (на примере лыжных гонок).

6. Проверить на практике влияние применения биологических обратных связей в качестве бесконтактного внетренировочного средства опосредованного действия* на биомеханические и гемодинамические параметры бегового шага.

*внетренировочным средством опосредованного действия называется специальное дополнительное тренировочное средство, позволяющее воздействовать на главное функциональное звено и организм в целом за счет влияния на другие звенья локомоторной функциональной системы.

Теоретико-методологической основой исследования явились:

- положения теорий функциональных систем П.К. Анохина, программированного и адаптивного обучения А.И. Берга, В.А. Трапезникова, Я.З. Цыпкина, кибернетических устройств Н. Винера, концепции «искусственная управляющая среда» И.П. Ратова;

- представления физиологов, биохимиков, биомехаников в области двигательной и спортивной деятельности Н.А. Бернштейна, В.С. Фарфеля, В.К. Бальсевича, Н.И. Волкова, Е.А. Ширковца, В.Н. Селуянова, В.М. Зациорского, И.П. Ратова, Э.Г. Мартиросова;

- исследования по адаптации мышечной деятельности Г. Селье, Ф.З. Меерсона, Г.И. Кассиля, В.Е. Борилкевича, Ю.В. Высочина, Ю.П. Денисенко;

- работы в области биологического обоснования теории и методики спортивной тренировки В.К. Бальсевича, В.Н. Платонова, Ю.В. Верхошанского, Л.П. Матвеева, А.Н. Воробьева;

- исследования по контролю подготовленности спортсменов и соревновательной деятельности и метрологической оценки М.А. Годика, И.А. Тер-Ованесяна, Ю.И. Смирнова, В.В. Иванова, Г.Ф. Лакина, В.Ю. Урбаха;

- материалы по изучению влияния электростимуляции в спорте Я.М. Коца, Г.Ф. Колесникова, В.Б. Коренберга.

Научная новизна состоит в следующем:

- обоснована необходимость воздействия на главное функциональное звено локомоторной функциональной системы с целью обеспечения ему дополнительного двигательного ресурса; практически показано, что только такой вариант применения внетренировочных средств приводит к оптимизирующей перестройке локомоторной функциональной системы, срочной адаптации, усилению механизмов релаксации, повышению экономичности и разрешающей возможности проприорецептивной системы организма;

- разработана и научно обоснованна технологическая последовательность применения внетренировочных средств в различных видах спорта в циклических локомоциях и однократных двигательных действиях: экспертиза состояния и композиционного состава структуры подготовленности спортсмена при максимальной ступенчато повышающейся или соревновательной нагрузке; определение главного функционального звена движения, выбор внетренировочного средства и способа его применения;

- разработана технология определения главного функционального звена двигательных действий на основе сопоставления биомеханических показателей и значения основного соревновательного параметра в активных фазах локомоторного акта;

- показаны адаптационные изменения, соответствующие многолетнему метаболизму физических нагрузок у спортсменок разных видов спорта, подтверждающих развитие стойких профессиональных адаптационных перестроек при занятиях спортом и наличие главного функционального звена;

- введены понятия экономичности, нормы и эффективности внешнего дыхания спортсменов, определяемые по соотношению уровней легочной вентиляции и потребления кислорода из единицы объема воздуха. Экономичной системой внешнего дыхания предложено считать при 4-х и более процентах потребления О2 из воздуха при достижении МПК и уровнем VЕ от 100 до 160 л/мин в зависимости от контингента и квалификации. Нормальный тип системы внешнего дыхания - от 3,7% до 4% О2 и VЕ - от 120 до 180 л/мин. Эффективным типом дыхательной системы считается соотношения потребления кислорода и легочной вентиляции при уровне менее 3,7% О2 и значениях VЕ от 140 до 200 л/мин. Такие градации показателей внешнего дыхания способствуют детализации оценки кислородно-транспортной системы энергообеспечения.

- создан и апробирован метод биологического моделирования, в основе которого лежит практическое достижение рекордного двигательного режима и срочной адаптации;

- показано влияние динамической электростимуляции в качестве контактного внетренировочного средства прямого действия на электроактивность скелетных мышц, потребление кислорода, гемодинамические и биохимические показатели, гормональную регуляцию и механизмы релаксации при передвижении на лыжах и лыжероллерах в естественных и лабораторных условиях;

- показано влияние биологических обратных связей в качестве бесконтактного внетренировочного средства опосредованного действия на разрешающую способность проприорецептивной оценки двигательной структуры бега и экономичность бегового шага.

Теоретическая значимость работы заключается:

- в расширении теории адаптации к физической работе за счет обоснования метода биологического моделирования, способствующего срочной и долговременной адаптации, усилению механизмов релаксации и повышению экономичности;

- в дополнении знаний в области спортивной биологии о возможности и технологии влияния внетренировочными средствами прямого или опосредованного действия на физиологию и биомеханику специального физического упражнения;

- в теоретическом обосновании технологии использования внетренировочных средств, обеспечивающих дополнительный двигательный ресурс главному функциональному звену в активной фазе локомоторного акта;

- в расширении знаний о влиянии динамической электростимуляции на электроактивность скелетных мышц человека, энергообеспечение физической работы, параметры внешнего дыхания, пульс, биохимический состав крови и гормональную регуляцию;

- в дополнении теории адаптации данными об адаптационных изменениях кислородно-транспортной системы организма элитных спортсменок разных видов спорта в связи с многолетним использованием специфических тренировочных нагрузок.

Практическая значимость исследования состоит в том, что содержание результатов экспериментальных исследований, выводы, анализ научно-методической литературы могут быть использованы студентами биологических специальностей, преподавателями физиологии, биомеханики, спортивной медицины, специалистами в области спорта.

Полученные данные позволяют практически повысить эффективность работы в направлениях повышения специальной работоспособности, обеспечения рекордных выступлений атлетов, сохранения здоровья и спортивного долголетия спортсменов.

Тренажерно-измерительные комплексы, устройство которых представлено в настоящей диссертации, технология тестирования и применения внетренировочных средств могут быть практически реализованы на базах подготовки спортсменов различных уровней.

Данные о современном уровне и структуре кислородно-транспортной системы элитных спортсменов и адаптационных изменениях, происходящих в организме при многолетних занятиях спортом, являются ориентиром для практической подготовки резерва, необходимого для пополнения сборных команд страны и элитных спортсменов. Разработанный и апробированный метод биологического моделирования может быть применен на практике для контролируемого срочного перехода физического состояния организма на более высокий уровень функционирования и определения истинных сбалансированных модельных физиологических и биомеханических показателей.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В основе технологии применения внетренировочных средств должно лежать воздействие, направленное на главное функциональное звено в режиме и структуре соревновательного упражнения, обеспечивающее уменьшение ограничительных возможностей лимитирующих факторов локомоторной функциональной системы.

2. Применение внетренировочных средств по разработанной технологии сопровождается достижением рекордного двигательного режима и срочной адаптации организма спортсмена.

3. Построение локомоторной функциональной системы на основе разработанной технологии сопровождается феноменами усиления механизмов релаксации, реципрокного взаимодействия скелетных мышц, повышения экономичности и разрешающей возможности проприорецептивной системы организма при выполнении физической работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, приложения. Общий объем диссертации изложен на 317 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, 29 таблиц. Список литературы содержит 262 источника, из них 146 на иностранных языках.

Методы и организация исследования

В работе были использованы следующие методы: теоретический ретроспективный анализ отечественной и зарубежной литературы по медико-биологическим аспектам спортивной подготовки, включающий изучение биомеханических, физиологических, биохимических проблем повышения общей и специальной работоспособности, проблемы адаптации к многолетней физической работе, разработки и совершенствования технического оснащения практики спорта. На разных этапах исследования применялись методы газометрии, эргометрии, динамической электростимуляции, накожной электромиографии, пульсометрии, скоростной киносъемки, биологических обратных связей, акселлерометрии, электронной фотохронометрии, биохимические и статистические методы.

Газометрия. Для анализа параметров газообмена на разных этапах исследования применялись газоанализаторы «Holden», «Beckman». Основная часть исследований произведена на одной из последних моделей «Cortex» - «MetaLyzer II-R2». Погрешностью измерения не более 1%. Измерение объема вдыхаемого и выдыхаемого газов осуществляется этим прибором раздельно на каждых вдохе и выдохе с помощью эластичной маски и специальной «вертушки», не имеющей «мертвого» пространства и не создающей дополнительного сопротивления при выдохе. Усреднение данных производилось за каждые 10 секунд. Трактовка единиц измерения по этому методу, в том числе и порога анаэробного обмена, производилась по рекомендациям Wasserman at.el., 1999. Мощность аэробной производительности оценивалась по показателю максимального потребления кислорода (МПК) относительно веса спортсмена, а емкость - по времени работы до достижения порога анаэробного обмена (ПАНО). Для того чтобы оценить соотношение аэробных и анаэробных источников энергообеспечения, определялась емкость анаэробной производительности, рассчитываемой по времени работы от момента достижения ПАНО до МПК.

Эргометрия. В качестве нагрузочного устройства в разные периоды исследования использовались американский тредбан «Qwinton», специально изготовленный нами лыжный тредбан и тредбан немецкой фирмы «h/p/cosmos», модель «Venus» длиной 2,5 м и шириной ленты 0,75 м. Нагрузочный протокол синхронизирован с регистрацией показателей газообмена посредством компьютерной газоанализаторной программы «Metasoft 3». При исследованиях максимальных возможностей в качестве модели нагрузки использовался бег до отказа. Нагрузка имела ступенчато - повышающейся характер с увеличением скорости бега на 0,5 м/сек через каждые 3 минуты. Бег начинался со скорости, равной 2,5 м/сек.

Динамическая электростимуляция. С помощью миниатюрного (вес 120г) и автономного электростимулятора, находящегося на спортсмене и разработанного нами устройства синхронизации подачи импульса с моментом отталкивания, осуществлялась электростимуляция только 4-х главой мышцы бедра (m. quadriceps femoris) при передвижении в подъемы. Включение и выключение прибора производилось спортсменом с помощью кнопки, закрепленной на поясе. Электростимуляционный сигнал в виде прямоугольного импульса с частотой 120 Гц, длительностью, равной продолжительности отталкивания 0,25+0,07с для конькового хода и 0,09+0,02с для классического хода (спортсмен мог сам корректировать продолжительность импульса) поступал на m. quadriceps femoris (рис. 2).

Электромиография. Электроактивность мышц в лабораторных условиях оценивалась посредством стационарного четырехканального электромиографа «Диза». В естественных условиях показатели электроактивности мышц регистрировались с помощью радиотелеметрической системы «Спорт-4», запись осуществлялась с помощью усилителя и магнитографа фирмы «Брюль и Къер».

Электроактивность рассчитывалась как интеграл, где А_х - функция амплитуды электроактивности, t - продолжительность электроактивности. Фактически измерялась площадь электрического потенциала действия (рис. 9). В расчет принимались не менее 6-ти напряжений мышц. Изучению последствий динамической электростимуляции m. quadriceps femoris были подвергнуты изменения электроактивности не только этой группы мышц, но также 3-х главой (m. triceps brachi) мышца плеча, которая не подвергалась электростимуляции. По результатам анализа этих исследований было принято решение продолжить эксперименты по определению электроактивности m. quadriceps femoris после применения электростимуляции в фазах отталкивания (в последующих после стимуляции проходах) и скольжения, двуглавой (m. biceps femoris) мышцы бедра и широчайшей (m. latissimus dorsi) мышцы спины в фазе отталкивания.

Киносъемка. Регистрация кинематических параметров осуществлялась кинокамерой «Экшионмастер - 500» со скоростью 100 к/с сбоку. Обработка кинопленки проведена на биомеханическом анализаторе «Нак спортиаз» по модели «Мацуи» с использованием фильтра «скользящая парабола» для сглаживания данных.

Биологические обратные связи. Исследования проводились на тредбане «Qwinton», дополнительно оснащенного регистраторами продолжительности опорных и полетных фаз бега, ЧСС, газоанализатором и акселерометром (рис 3). Критерием эффективности был выбран пульс спортсмена на постоянной скорости бега. В качестве индикаторов для передачи спортсмену текущей информации были использованы разработанные нами аналоговые световые вертикально расположенные индикаторы. Спортсмен, следуя определенному алгоритму, наблюдал перед собой величины ускорений (отрицательной горизонтальной и положительной вертикальной составляющих ускорения общего центра масс во время амортизации и окончания отталкивания), времени опоры, полета и ЧСС в виде световых вертикальных столбцов.

Акселлерометрия. Ускорения тела в горизонтальной и вертикальной плоскостях регистрировались с помощью усилителя и датчика фирмы «Брюль и Къер» с чувствительностью 20 - 30 мв/g и погрешностью измерений 3% в диапазоне 0,3 - 10000 Гц. Чувствительный элемент (датчик) был закреплен на специальном поясе, который одевался на спортсмена и располагался на пояснице вблизи центра масс тела. Анализировалась отрицательная горизонтальная составляющая ускорения тела в фазе амортизации и положительная вертикальная составляющая ускорения тела в финишной части фазы отталкивания.

Электронная фотохронометрия. применялась нами для определения продолжительности полетных и опорных фаз бега, а также для метрологической оценки точности задания скорости ленты тредбанов. Это осуществлялось с помощью фотоэлектронных устройств, разработанных и изготовленных в лаборатории биомеханики ВНИИФК.

Организация исследования. Исследования проводились в течение 1982-2007 гг. в несколько этапов на базе сборных команд СССР и России по лыжным гонкам, легкой атлетике (бег на средние и длинные дистанции, многоборье), двоеборью и лабораторий двигательных режимов и профилактики заболеваний высококвалифицированных спортсменов ВНИИФК. Проведены обследования сборных команд России по лыжным гонкам, биатлону, двоеборью, велосипеду, дзюдо, греко-римской борьбе, восточным единоборствам, боксу, парусному спорту, волейболу. В исследованиях приняли участие спортсмены высшего спортивного мастерства (71 мс, 34 мсмк, 13 змс). Исследования проведены также на базах школы-интерната спортивного профиля г. Витебска, сборной команды профсоюзов по лыжным гонкам Марийской АССР и центра лыжного спорта г. Иваново. В них соответственно участвовали 36 бегунов на средние и длинные дистанции 1 -2 разрядов, 25 лыжников-гонщиков 1 разряда, 4 кандидата в мастера спорта и 3 мастера спорта.

В части исследования влияния многолетних тренировочных нагрузок на характер адаптации (2004-2008) приняли участие более 200 спортсменов - членов сборных команд России по разным видам спорта. В работу были взяты данные трех видов спорта и 23 элитных спортсменок, дважды принявших участие в обследовании.

Исследование эффективности динамической электростимуляции m. quadriceps femoris было проведено на лыжниках-гонщиках высокой квалификации. При изучении электроактивности мышц приняло участие 56 квалифицированных лыжников - гонщиков (18 перворазрядников, 24 кандидата в мастера спорта, 14 мастеров спорта). Первая серия исследования проводились перекрестным методом в лабораторных условиях на лыжероллерном тредбане на специально смоделированной трассе, включающей четыре подъема 4,6,8 и 10 градусов. Спортсмены чередовали применение электростимуляции мышц с обычным способом преодоления каждого круга дистанции. Вторая серия исследования проведена в зимних полевых условиях при передвижении на лыжах одновременным двухшажным коньковым ходом в подъем 6 градусов. В этой серии исследований приняли участие 6 квалифицированных лыжников-гонщиков (4 кандидата в мастера спорта, 2 мастера спорта). Анализу подвергались не менее 4 пар проходов для каждого спортсмена. В каждом проходе анализировались не менее 30 шагов.

В исследовании влияния динамической электростимуляции на гормональную регуляцию приняли участие 8 перворазрядников и 4 кмс по лыжным гонкам. По результатам предварительного тестирования скоростно-силовой и специальной подготовленности спортсмены были разбиты на пары и методом случайного выбора на контрольную и экспериментальную группы. Участники экспериментальной группы в течение 9-дневного микроцикла ежедневно в основной тренировке применяли динамическую электростимуляцию в плановых тренировках равномерного, переменного и повторного характера. Спортсмены обеих групп тренировались по одному плану. Участники контрольной группы электростимуляцию не использовали. Тестирование для обеих групп проводилось в первый и девятый день в тренировке объемом 40 км на лыжероллерах в аэробно - развивающей зоне интенсивности (концентрация лактата на финише 40 км была в пределах 3,5 - 4,5 ммоль/л). Забор венозной крови производился до и после работы.

В серии исследований влияния применения биологических обратных связей приняли участие 49 высококвалифицированных бегунов и многоборцев. Исследования проведены на беговом тредбане перекрестным способом. Всего в исследованиях приняли участие 307 человек.

Основное содержание диссертации

спорт локомоторный гемодинамический метаболический

Общие положения концепции построения локомоторной функциональной системы путем обеспечения дополнительного ресурса главному функциональному звену и организму в целом

Проблема исследования заключается в противоречии между необходимостью повышения работоспособности, исключения явлений адаптационных срывов и патологий, влекущих за собой стабилизацию спортивного мастерства, а, иногда - деградацию организма и отсутствием эффективных тренировочных технологий, позволяющих исключить указанные явления.

Многолетние тренировки в каждом виде спорта носят специфический характер воздействия, в результате в организме спортсмена происходят соответствующие (профессиональные) перестройки ответных реакций организма. Это касается в первую очередь, сердечно-сосудистой, кислородно-транспортнюй, морфофункциональной, кровеносной, нервно-мышечной систем, центральной регуляции на всех уровнях обеспечения мышечной деятельности целостного организма: внутриклеточного, нейромышечного, митохондриального, субстратного. Все эти воздействия не могут не способствовать образованию «узких мест» в энергообеспечении физической деятельности, способствовать созданию специфического физического состояния организма, которое обуславливает характер профессиональных заболеваний. В результате этих воздействий в любом физическом упражнении, выполняемом многие годы тренировок, появляются лимитирующие звенья (И.П. Ратов, 1972), которые являются главными функциональными звеньями локомоторной функциональной системы (П.К. Анохин, 1974).

Стержень разработки концепция состоит в биологическом обосновании и внедрении инновационных технологий, основанных на учете профессиональных изменений локомоторной функциональной системы и ограничительных особенностей главного функционального звена и организма в целом, приводящих к срочной адаптации при исключении ущерба здоровью.

Постановка проблемы по разработке комплексной системы повышения работоспособности спортсменов определяет работу на трех взаимосвязанных направлениях:

- разработки и биологического обоснования специальной технологии оценки состояния подготовленности, раскрывающей биомеханические и физиологические особенности функционирования организма;

- создания алгоритма определения главного функционального звена локомоторной функциональной системы и выбор внетренировочного средства, воздействующего на его уровень функционирования;

- организации специального двигательного режима, позволяющего обеспечить дополнительный ресурс главному функциональному звену и организму в целом при выполнении локомоторного акта.

П.К. Анохин доказал, что адаптивный результат на основе обратных афферентаций консолидирует организованные исходной доминирующей потребностью отдельные элементы (функциональные звенья) в динамическую, саморегулирующуюся и самонастраивающуюся функциональную систему. Решение любой двигательной задачи происходит в рамках локомоторной функциональной системы, в которой акцептором результата действия является та или иная двигательная задача. По своему устройству локомоторная функциональная система не отличается от других - ее функционирование обеспечивается по тем же принципам. Локомоторная функциональная система состоит из отдельных функциональных звеньев, которые параллельно с другими звеньями, содружественными в выполнении двигательной задачи, объединены одним акцептором результата действия. Среди отдельных функциональных звеньев можно выделить главное функциональное звено.

Следствие 1. Любое изменение в отдельном функциональном звене приводит к консолидирующей и сбалансированной перестройке всей функциональной системы. Такое утверждение основано на интегративной и согласованной природе работы организма.

Согласно теории И.П. Ратова лимитирующим двигательным звеном является та фаза одиночного или циклического движения, во время которой вклад в спортивный результат является наибольшим. Вклад оценивается по соотношению уровней основного показателя в разных фазах физического упражнения и соревновательного результата. По нашим данным совпадение экстремумов (максимумов или минимумов) биомеханических показателей с экстремумом основного соревновательного показателя свидетельствует о наличии лимитирующего двигательного звена. При анализе положений этой теории и теории функциональных систем П.К. Анохина обнаружено, что лимитирующее двигательное звено по И.П. Ратову и главное функциональное звено функциональной системы по П.К. Анохину в рамках локомоторной функциональной системы реализуются в границах одних пространственно-временных параметров.

Следствие 2. С точки зрения работы всего организма, как целостной, интегративной системы, необходимо считать главное функциональное звено лимитирующим в той фазе двигательного действия, во время которой вклад в спортивный результат является наибольшим.

С точки зрения построения локомоторных функциональных систем характеристика главного функционального звена как лимитирующего приводит к следующим соображениям. В момент наибольшего вклада в спортивный результат организм спортсмена наиболее напряжен и подвергнут стрессу. Адаптивные реакции организма спортсмена в этот момент составляют основу тех профессиональных изменений, которые наблюдаются при многолетней тренировке. В случае срыва адаптации в различных компонентах главного функционального звена могут наблюдаться явления адаптагенной патологии, характеризующиеся переутомлением, повреждением различных органов и систем. Такие явления часто приводят к травмам, заболеваниям, являются причиной ухода из спорта.

Рис. 1. Схема построения локомоторных функциональных систем путем обеспечения дополнительного ресурса главному функциональному звену (метод биологического моделирования)

Следствие 3. Для решения основной задачи спортивной тренировки - повышения работоспособности, воздействие должно быть направлено на главное функциональное звено и обеспечивать ему дополнительный двигательный ресурс.

При традиционной спортивной тренировке задача адаптации организма заставляет атлета постоянно повышать тренировочную нагрузку. Такая ситуация приводит к растущим воздействиям на лимитирующее звено, которые способствуют приобретению травм и заболеваний. Такие явления часто наблюдаются при необдуманном применении различных тренажеров и других вспомогательных средств. Предлагаемый нами подход, основанный на обеспечении дополнительного ресурса лимитирующему звену, приводит к согласованной и сбалансированной мобилизации всех протекающих процессов в других звеньях и организме в целом и достижению рекордной структуры двигательного режима. Схематически предлагаемый подход представлен на рис. 1.

Исследования, проведенные нами в лыжных гонках, показали, что главное функциональное звено в этом виде спорта совпадает с фазой отталкивания. Лимитирующим фактором специальной работоспособности является мощность отталкивания, которая зависит от скорости разгибания ноги в коленном суставе. Воздействие, снижающее ограничительные возможности главного функционального звена, было направлено на m. quadriceps femoris точно в момент отталкивания непосредственно при передвижении на лыжах или на лыжероллерах (рис. 2).

Рис. 2. Контакты для запуска электростимулятора (1) и места наложения электродов (2) при электростимуляции m. quadriceps femoris по методу биологического моделирования

Исследования, проведенные нами в беге, показали, что главное функциональное звено в этом виде спорта также совпадает с фазой отталкивания, но лимитирующим фактором является не мощность отталкивания, а умение бегуна гасить тормозящее ускорение при постановке ноги на опору и уменьшать излишнее вертикальное ускорение по окончании отталкивания. Воздействие, снижающее ограничительные возможности главного функционального звена в этом случае, должно быть направлено на развитие проприорецептивной системы организма спортсменов. Это было реализовано с помощью биологических обратных связей по биомеханическим параметрам и частоте сердечных сокращений в качестве критерия эффективности на стандартной скорости бега (рис. 3, авт. свидетельство №1790956, 1992).

Рис. 3. Блок-схема тренажерно-исследовательского комплекса с биологическими обратными связями. АС - акселерометр, ПС - пульсометр, оп - датчик опоры, пол - датчик полета, УС - усилитель, аг - отрицательное горизонтальное ускорение, возникающее в момент постановки ноги на опору, ав - положительное вертикальное ускорение при отталкивании

Профессиональные изменения в адаптации кислородно-транспортной системы спортсменов высокой квалификации к специфическим нагрузкам

В результате исследований нами было определено, что всех спортсменов можно разделить на «эффективный» и «экономичный» типы. Такое разделение зависит от соотношения показателей вентиляции легких и потребления кислорода из единицы объема воздуха. «Эффективный» тип - это обеспечение организма кислородом, в основном, за счет пропускания большого количества воздуха через легкие. Такой способ является менее экономичным по сравнению с возможностью избирать из небольшого объема воздуха достаточное количество кислорода. Это связано с тем, что много энергии уходит на обеспечение работы легочных мышц. «Экономичный» тип в большей степени обладает высокой избирательной способностью потребления кислорода из единицы объема воздуха и, таким образом, не требует пропускания через легкие большого объема воздуха и затрат энергии на работу легочных мышц. Как правило, представители видов спорта с преимущественным проявлением быстроты и силы относятся к первому типу дыхательной системы, спортсмены в видах спорта с преимущественным проявлением выносливости - ко второму. На основе анализа результатов исследования нами введены понятия экономичности, нормы и эффективности внешнего дыхания спортсменов, определяемые по соотношению уровней легочной вентиляции и потребления кислорода из единицы объема воздуха. Экономичной системой внешнего дыхания предложено считать при 4-х и более процентах потребления О2 из воздуха в момент достижения МПК и уровнем легочной вентиляции от 100 до 160 л/мин в зависимости от контингента и квалификации. Нормальный тип системы внешнего дыхания - от 3,7% до 4% О2 и VЕ - от 120 до 180 л/мин. Эффективным типом дыхательной системы считается соотношения потребления кислорода и легочной вентиляции при уровне менее 3,7% О2 и значениях VЕ от 140 до 200 л/мин. Такие градации показателей внешнего дыхания способствуют детализации оценки кислородно-транспортной системы энергообеспечения.

На рис. 4,5 представлены характерные изменения показателей во время теста со ступенчатой повышающейся нагрузкой.

Рис. 4. Динамика легочной вентиляции (VЕ), объема выдыхаемого углекислого газа (VСО2) и потребления кислорода (VО2) у лыжниц-гонщиц высокой квалификации. ПАНО зафиксировано при одновременном повышении VЕ и VСО2 и стабилизации VО2 (вертикальная линия)

Рис. 5. Динамика вентиляционных эквивалентов во время ступенчатого теста до отказа в беге на тредбане у лыжниц-гонщиц высокой квалификации. ПАНО зафиксировано в точке опережающего повышения VЕ/VО2 по сравнению с VЕ/VСО2

Для оценки влияния специфической физической нагрузки на формирование дыхательной системы в ходе многолетней тренировки рассмотрим показатели функциональной подготовленности в трех различных типах тренировочной и соревновательной нагрузки, соответствующих следующим видам спорта: борьбе, лыжным гонкам и синхронному плаванию. В исследовании приняли участие спортсменки высшей квалификации (табл. 1), в учет взяты по две пробы для каждой участницы.

Таблица 1. Общая характеристика групп спортсменок (x ± у)

x - среднее значение, у - среднее квадратичное отклонение

Оказалось, что характер энергообеспечения в трех группах был различен и соответствовал тем требованиям, которые предъявляет к организму спортсменов каждый вид спорта (табл. 2). Спортсменки - лыжницы отличаются и от дзюдоисток, и от синхронисток большей работоспособностью, более высокими значениями МПК и легочной вентиляции. Однако имеют и схожие черты с этими видами спорта. У лыжниц и синхронисток показатели процента потребления кислорода из воздуха в момент достижения МПК отличаются незначительно. Это свидетельствует о присутствии экономичного характера энергообеспечения. У лыжниц это связано с приближением показателя легочной вентиляции к своему пределу, который, хотя и больше, чем в других группах, недостаточен для удовлетворения потребностей этого вида спорта. Длительная соревновательная деятельность «заставляет» спортсменок этого вида спорта совершенствовать экономичность доставки кислорода к работающим мышцам. Это обстоятельство влечет необходимость повышения избирательной способности кислорода - потребления кислорода из единицы объема воздуха.

Следует особо отметить необычный уровень и соотношение показателей газообмена у спортсменок синхронисток. Учитывая высочайшую квалификацию этих спортсменок (олимпийские чемпионки, чемпионки международных соревнований - члены сборной команды России сильнейшей команды Мира) и специфику их профессиональной деятельности (длительные задержки дыхания, короткий вдох, длительный выдох на фоне физической нагрузки), можно было предположить, что у них будет обнаружен мощный механизм поставки кислорода и гликолиза. Однако было выявлено, что эти спортсменки характеризуются низкими значениями МПК, работоспособности и продуктов распада - лактата. Такие показатели, как правило, наблюдаются при преждевременном отказе спортсменок от работы в максимальном ступенчатом тесте до отказа. Если это происходит, то такой факт всегда подтверждается отсутствием снижения роста потребления кислорода (т.е. потребление кислорода продолжает расти в момент отказа спортсмена от работы) и кислородного пульса на фоне недостаточно высоких значений ЧСС.

Таблица 2. Различия в показателях газообмена высококвалифицированных спортсменок разных видов спорта при максимальной ступенчато - повышающейся пробе до отказа в беге на тредбане (x ± у)

Однако у спортсменок синхронисток момент отказа от работы сопровождался максимальными значениями ЧСС, стабилизацией ЧСС на максимальном уровне, снижением потребления кислорода и кислородного пульса на фоне роста легочной вентиляции и объема выдыхаемого углекислого газа. Все эти показатели, безусловно, свидетельствуют о том, что спортсменки вышли на свой максимум. Многолетние физические нагрузки, сопровождающиеся явлениями острой гипоксии, необходимостью совершать короткий вдох и долго выполнять физические упражнения при задержке дыхания приводят не к росту максимальных возможностей организма, а к повышению экономичности дыхательной системы, что и было обнаружено у спортсменок синхронисток. О высокой экономичности этих спортсменок свидетельствует большая относительная емкость аэробной производительности (отношение времени работы до уровня ПАНО к общей продолжительности работы в тесте) и высокий процент потребления кислорода из единицы объема воздуха.

Синхронное плавание и лыжные гонки объединяет аэробная направленность энергообеспечения. В лыжных гонках это связано, в первую очередь, с длительностью ведения спортивной борьбы, а в синхронном плавании - с требованием минимизации молочной кислоты в организме, т.к. в условиях гипоксии это может привести к излишнему закислению и отказу от физической работы. Такие особенности этих видов спорта приводят к необходимости преимущественного развития механизмов окислительного фосфорилирования по сравнению с гликолитическим. Можно предположить, что эти явления связаны с изменением композиционного состава мышечных волокон в пользу медленных, как это показано в других видах спорта (В.Н. Селуянов, 2006 г.).

Низкие значения потребления кислорода из единицы объема воздуха наблюдались у спортсменок - дзюдоисток. Это связано с тем, что профессиональная деятельность этих спортсменок проходит не столь длительное время, как у лыжниц и не в таких гипоксических условиях, как это происходит с синхронистками. Спортсменки-дзюдоистки не лимитированы в возможности вентиляции воздуха через легкие, Кроме того, ввиду других обстоятельств ведения спортивной борьбы, они скорее должны быть мощными, нежели экономичными.

Лыжницы имели большие значения МПК по сравнению с дзюдоистками и синхронистками, что было обеспечено большим потреблением кислорода из единицы объема воздуха и большей легочной вентиляцией по сравнению с дзюдоистками и с синхронистками. Дзюдоистки отличались от синхронисток большей вентиляцией легких и меньшей избирательной способностью кислорода. Синхронистки имели значительно меньшие показатели дыхательного коэффициента, чем дзюдоистки. Все различия объясняются спецификой пролонгированной мобилизации организма под влиянием многолетних специфических физических нагрузок и соответствуют метаболическим реакциям на состав и структуру тренировочной и соревновательной деятельности их видов спорта. Это согласуется с теорией функциональных систем и подтверждается исследованиями, связанными с метаболическим контролем, в которых подчеркивается интегративная природа биохимических систем и общих сигналов, управляющих их активацией (Connett R.J. с соавт., 1990, Funk C.I. с соавт., 1990).

Обнаруженные эффекты адаптации в этих разнохарактерных вариантах двигательной деятельности дают возможность оценить глубину влияния мышечной нагрузки и подтвердить наличие главных функциональных звеньев в локомоторной функциональной системе. Такие явления предопределяют изменения в организме спортсменов, которые могут быть причиной травм и профессиональных заболеваний. Вместе с тем можно утверждать, что использование специальных средств и методов физической культуры может приводить к произвольной перестройке локомоторной функциональной системы.

Технология определения главного функционального звена локомоторного акта

Как было показано выше, главное функциональное звено является лимитирующим в той фазе двигательного действия, во время которой вклад в спортивный результат является наибольшим. Это касается как циклического движения, так и однократного двигательного действия. Лимитирующее звено законченного двигательного действия определяется наличием затухающего градиента силы или ускорения звена тела, его центра масс или снаряда, следующего за возрастающим изменением градиента усилия. Например, в лыжных гонках в момент отталкивания ногой от опоры усилие сначала возрастает, затем происходить его затухание. Это сопровождается не только ростом и снижением градиентов усилий, но колебаниями и ускорениями центра масс тела. В метании копья законченным двигательным действием может считаться отрезок времени от начала роста ускорения центра массы кисти в момент броска до начала затухания ускорения.

Для реализации концепции построения тренировочного процесса на основе использования внетренировочных средств необходимо иметь алгоритм определения главного функционального звена. Нами предпринята попытка его разработки с учетом биологических особенностей спортсменов. На основе биомеханического анализа производится анализ экстремумов усилий и ускорений отдельных звеньев тела во время физического упражнения. Их может быть несколько. Главным функциональным звеном считается то законченное двигательное действие, при выполнении которого наблюдается наибольшее влияние на соревновательный результат, который, в свою очередь, тесно связан с экстремальными (максимальными или минимальными, например, для стрельбы) кинематическими и динамическими показателями общего центра масс тела спортсмена или его части, участвующей в движении.

Биологические аспекты проявления лимитирующих факторов различны не только в разных видах спорта, но и при выполнении отдельных элементов локомоций в каждом виде спорта. Например, в синхронном плавании оценивается высота выхода частей тела из воды. Этот промежуточный соревновательный результат обусловлен результативностью лимитирующего двигательного действия, предшествующего появлению тела на поверхности. Эффективность выполнения такого элемента зависит от биологических особенностей развития физических качеств. Однако для общей оценки значение имеет другой промежуточный соревновательный результат - время нахождения под водой. Он связан с лимитирующими звеньями других систем, в данном случае, с дыхательной, кровеносной и др. системами организма.

Таким образом, алгоритм определения главного функционального звена состоит в следующем (рис. 6). На основании биомеханического анализа соревновательного движения в цикле движения выделяются активные законченные двигательные действия. В соревновательных локомоциях, не имеющих цикла, выделяются самостоятельные законченные двигательные действия. Далее анализируется экстремумы кинематических и динамических показателей каждого законченного двигательного действия. На основании сравнения экстремумов биомеханических показателей отдельных двигательных действий в активных фазах и максимального влияния их на биомеханический показатель общего центра масс тела человека или его части, определяющего соревновательный результат, выделяется главного функционального звено. Например, в цикле классического попеременного двухшажного хода на лыжах наибольшие экстремумы градиентов и уровней динамических параметров наблюдаются в фазе отталкивания. Это может быть подтверждено теоретически, так как

где F - сила отталкивания, dt - приращение времени) скорость передвижения спортсмена по дистанции равна интегралу силы по времени от начала отталкивания до его завершения, деленному на массу (m) тела лыжника. При практическом постоянстве массы тела во время отталкивания импульс силы, равной произведению силы отталкивания на время отталкивания, определяет основной биомеханический показатель соревновательного упражнения - скорость передвижения лыжника по дистанции.

Рис. 6. Алгоритм определения главного функционального звена цикла движения или законченного двигательного действия. S - перемещение общего центра масс тела и отдельных звеньев тела; V - скорость; t - время; W - угловая скорость суставов; F - сила отдельных звеньев тела; Ft - импульс силы; а - ускорение общего центра масс тела и отдельных звеньев тела

Этого нельзя сказать о беге, где наибольшие ускорения отдельных двигательных действий, влияющие на ускорение центра масс тела и одновременно на скорость бега, обнаружены в момент начала и окончания опорной фазы. При постановке ноги на опору возникает отрицательное горизонтальное ускорение, снижающее скорость бега (табл. 7). При отталкивании может возникать излишнее положительное вертикальное ускорение общего центра масс тела, что приводит к непродуктивным затратам энергии. Поэтому, несмотря на то, что главным функциональным звеном является фаза опоры так же, как в лыжных гонках, внетренировочное средство должно быть направлено на снижение излишних ускорений в «переднем и заднем толчке». В отличие от лыжных гонок, в которых целесообразно обеспечить дополнительный ресурс, повышающий импульс силы в момент отталкивания от опоры, в беге необходимо применение средства, направленного на его снижение. Это может быть реализовано применением биологических обратных связей, позволяющих произвольно управлять ускорениями тела за счет повышения разрешающей способности проприорецептивной системы.