Возрастная динамика и адаптационные изменения функционального состояния детей 5-14 лет под влиянием занятий физическими упражнениями

Функциональное состояние детей с различной физической работоспособностью при напряженной интеллектуальной деятельности. В специальной серии экспериментов сопоставлялись показатели ФС при информационной нагрузке у детей 5-14 лет (n=531) с высоким и низким уровнями физической работоспособности. В разных возрастных группах сравнивались от 90 до 140 показателей ФС.

В процессе исследования установлено, что для детей с высокой работоспособностью, проявляемой в зонах умеренной, большой и, в несколько меньшей степени, субмаксимальной мощности, характерны высокая скорость и качество умственной работы в напряженных условиях деятельности, оптимально сниженный уровень неспецифической активации в состоянии покоя, экономичное вегетативное обеспечение информационной нагрузки, низкая физиологическая цена интеллектуальной деятельности, повышенная устойчивость эмоционального состояния в стрессорных условиях.

При высоком уровне работоспособности в зоне максимальной мощности выявлена противоположно направленная тенденция изменений ряда показателей ФС. Обнаруженные различия определяются особенностями энергообеспечения мышечной деятельности в различных зонах мощности.

Для изучения изменчивости показателей ФС детей 5-14 лет в зависимости от уровня развития биоэнергетических компонентов физической работоспособности был использован дисперсионный анализ трехфакторных ортогональных комплексов.

Показатель силы влияния факторов на результативный признак (h_х²) определяли с помощью метода Н.А. Плохинского. В качестве основных компонентов физической работоспособности рассматривали: анаэробные алактатные (фактор С); анаэробные гликолитические (фактор В) и аэробные (фактор А) способности (Н.И. Волков, 2000).

Использование трехфакторного дисперсионного анализа показало, что на ФС детей 5-14 лет при напряженной информационной нагрузке существенное влияние оказывают не только аэробные и анаэробные компоненты физической работоспособности, но и их взаимодействие (рис. 6).

Рис. 6. Значимое влияние анаэробного алактатного (фактор С), анаэробного гликолитического (фактор В) и аэробного (фактор А) компонентов работоспособности на ФС детей

В различные возрастные периоды биоэнергетические факторы работоспособности обусловливают неодинаковую изменчивость отдельных показателей ФС.

Статистически значимое (p < 0,05-0,001) влияние рассматриваемых факторов в 5-6, 7-8, 9-10, 11-12 и 13-14 лет выявлено в отношении 20, 47, 53, 32 и 46 переменных, характеризующих физиологические, психологические и поведенческие аспекты ФС, соответственно.

Оценка силы влияния факторов физической работоспособности (h_х²) на результативные признаки показала, что в 5-6 лет от 4 до 15 % общего варьирования изучаемых показателей связано биоэнергетическими возможностями организма соответственно, в 7-8 лет - от 4 до 20 %, в 9-10 лет - от 4 до 21 %, в 11-12 лет - от 4 до 21 %, в 13-14 лет - от 4 до 30 %.

Эти данные позволяют считать, что высокий уровень аэробных возможностей в сочетании с высоким уровнем анаэробной гликолитической работоспособности улучшает ФС, в то время как анаэробные алактатные возможности не всегда вызывают подобный эффект. Сила влияния биоэнергетических факторов и их соотношений существенно меняется в ходе онтогенеза.

Таким образом, изменения различных аспектов ФС детей при напряженной информационной нагрузке зависят от уровня развития и взаимовлияния аэробных и анаэробных возможностей организма. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости комплексного использования нагрузок различной метаболической направленности в целях оптимизации ФС детей в условиях напряженной деятельности.

Физиологические критерии нормирования физических нагрузок и программ оздоровительной тренировки детей 5-14 лет. Полученные данные свидетельствуют о том, что с возрастом происходит нелинейное и неодновременное развитие отдельных компонентов физической работоспособности, обеспечивающее повышение рабочих возможностей организма во всем диапазоне доступных нагрузок.

В исследуемых возрастных группах, за исключением возраста 5-6 лет, мальчики превосходят девочек по уровню аэробной и анаэробной производительности организма, а также физической подготовленности.

На протяжении всего периода второго детства различия между мальчиками и девочками по параметрам мощности, емкости и экономичности энергетических систем нарастают постепенно, тогда как в пубертатный период они резко усиливаются на фоне общего повышения возможностей анаэробных источников энергии.

В старшем дошкольном возрасте, напротив, девочки превосходят мальчиков по ряду показателей, характеризующих анаэробную алактатную и анаэробную гликолитическую производительность организма. Эти различия, по-видимому, связаны с опережающим созреванием анаэробных механизмов энергообеспечения мышечной деятельности у девочек по сравнению с мальчиками.

В процессе исследования обоснована комплексная оценка работоспособности, включающая наиболее информативные показатели аэробной и анаэробной производительности организма, характеризующие ее факторную структуру (табл. 2).

Таблица 2

Комплексная оценка физической работоспособности детей 5-6 лет

Примечание: обозначения параметров в тексте (см. методический раздел).

Изучение соотношений интенсивности и продолжительности нагрузки показало, что с увеличением ЧСС со 135 до 180 уд/ мин ее мощность, выраженная в Вт/кг, увеличивается у детей 5-6 лет в среднем на 120-150 %, 7-8 лет - на 150-170 %, 9-10 лет - на 180-190 %, 11-12 лет на - 170-180 %, 13-14 лет - 170-180 %.

При этом предельная продолжительность работы уменьшается в 5-6 лет в среднем в 8 раз, 7-8 лет - 9 раз, 9-10 лет -10 раз, 11-12 лет - 12 раз, 13-14 лет - 16 раз.

Приведенные материалы отражают возрастные изменения функционального диапазона и сложившиеся на различных этапах онтогенеза соотношения мощности, емкости и эффективности энергетических систем.

Сравнение максимальной длительности работы с учетом величины комплексной оценки позволило установить, что различия между испытуемыми с высоким и низким уровнями работоспособности достигают достоверных (p<0,05-0,001) величин, причем с повышением степени «аэробности» физической работы они значительно увеличиваются.

При этом наиболее высокой дифференциальной чувствительностью в отношении рабочих возможностей детей 5-14 лет обладают показатели емкости аэробного процесса, что делает их особенно ценными для характеристики уровня соматического здоровья человека.

На основании полученных данных обоснована унифицированная методика определения величины нагрузки, для исчисления которой разработана шкала, устанавливающая соразмерность физиологической интенсивности и предельной длительности работы.

Величину физической нагрузки, характеризующую суммарное количественное воздействие мышечной деятельности на организм человека, рассчитывали как произведение физиологической интенсивности работы, выраженной в баллах, и ее продолжительности, выраженной в минутах (И.А. Криволапчук, 2007). Результаты этой серии исследований явились основой для разработки классификации нагрузок по зонам относительной мощности, учитывающей возраст и уровень работоспособности детей, не занимающихся спортом.

В ходе дальнейшей работы подготовлены 28 программ оздоровительной тренировки, ориентированных на оптимизацию ФС детей 5-6, 7-8, 9-10, 13-14 лет.

Программы оздоровительной тренировки различались по метаболической направленности, величине, средней интенсивности, недельному объему, продолжительности нагрузки тренирующего характера в отдельном занятии и периодичности воздействий в недельном цикле (см. табл. 1). Программирование занятий осуществлялось в соответствии с предложенной нами классификацией физических нагрузок и схемой организации процесса оздоровительной тренировки.

При этом принимались во внимание основные характеристики и критерии, отражающие меру воздействия нагрузки на ФС занимающихся: содержание, направленность, величина и организация физических упражнений.

Дозирование нагрузок проводилось на основе разработанных нами шкал интенсивности, моделей множественной линейной регрессии, номограмм, нормативных показателей пиковой, пороговой и средней ЧСС. Физиологические критерии нормирования нагрузок и программы оздоровительной тренировки обоснованы и апробированы в ходе многолетнего педагогического эксперимента.

Срочные эффекты влияния физических упражнений на функциональное состояние детей. Изучение динамики ФС в зависимости от величины одноразовой физической нагрузки показало, что срочный эффект влияния мышечной деятельности на умственную работоспособность, ситуативную тревожность, самочувствие и настроение занимающихся, показатели гистографического анализа времени простой сенсомоторной реакции, характеризующие возбудимость, реактивность и устойчивость нервных процессов, определяется интенсивностью и продолжительностью работы.

Выявлено, что сдвиги изучаемых показателей ФС, обусловленные физической нагрузкой, представленные в графическом виде, приобретают форму, близкую к инвертируемой U-образной кривой. Это свидетельствует о существовании оптимального для осуществления когнитивной деятельности и развития позитивного эмоционального состояния уровня неспецифической активации ЦНС, формируемого физической нагрузкой различной интенсивности и продолжительности.

Установлено, что диапазон допустимой продолжительности нагрузок, используемых для поддержания ФС в границах оптимальной активации в период реституции после мышечной деятельности, существенно зависит от интенсивности работы.

При нагрузках интенсивностью 50-60 % индивидуального пульсового резерва он составляет 10-60 минут; 60-70 % - 6-45 мин; 70-80 % - 5-35 мин; 80-90 % - 3-15 мин. С увеличением продолжительности нагрузки одной интенсивности в рамках указанного диапазона позитивные послерабочие изменения изучаемых переменных сохраняются в течение более длительного времени. В целом ярко выраженные (p<0,05-0,001) следовые процессы после нагрузки отмечаются в диапазоне 20-60 минут (рис. 7).

Наиболее существенные положительные изменения эмоционального состояния и умственной работоспособности после нормированной одноразовой нагрузки наблюдаются именно у тех учащихся, которые изначально характеризуются негативным эмоциональным фоном, повышенной тревожностью и низкой работоспособностью.

Модулирующий эффект дозированной нагрузки, по-видимому, связан с известным феноменом регуляции ФС ЦНС через ретикулярную формацию мозга и другие неспецифические структуры потоком афферентных восходящих воздействий.

Рис. 7. Психологические показатели ФС подростков 12-14 лет в период восстановления после нагрузки продолжительностью 60 мин

Примечание: ЗАШТр - тревожность по зрительно-аналоговой шкале (мм); С - самочувствие; Н - настроение; СТС - ситуативная тревожность по опроснику Спилбергера; НЭП - негативные эмоциональные переживания; СТЛ - ситуативная тревожность по тесту Люшера (баллы).

Достоверность различий по сравнению с фоном: * - p< 0,05; ** - p< 0,01;***- p< 0,001.

Оптимизация функционального состояния детей 5-14 лет в процессе направленной физической подготовки. В ходе многолетнего педагогического эксперимента установлено, что у детей всех рассматриваемых возрастных групп (n=467) разработанные нами программы оздоровительной тренировки, по сравнению с традиционным двигательным режимом, способствовали улучшению общего ФС организма. Это проявлялось в значительном усилении тонуса парасимпатического отдела ВНС в состоянии покоя и снижении реактивности симпатического отдела при напряженной информационной нагрузке на фоне улучшения скорости и качества переработки информации, уменьшении физиологической цены деятельности, ситуативной тревожности, острой заболеваемости, повышении физической работоспособности и подготовленности.

Данные, полученные на основе обширного статистического материала, свидетельствуют о том, что изменения величины, интенсивности, объема нагрузки и кратности занятий обусловливают неодинаковые приросты рассматриваемых показателей ФС. Сравнительный анализ различных тренировочных программ позволил установить следующее:

- нагрузки высокой интенсивности (70-80 % резерва ЧСС) способствуют более существенному (p<0,05-0,001) улучшению ФС детей 5-6, 7-8, 9-10 и 13-14 лет по сравнению с программами низкой интенсивности (40-50 % резерва ЧСС);

- увеличение продолжительности физических упражнений высокой интенсивности от 36-60 до 180-240 мин в неделю способствует существенному изменению показателей ФС у детей рассматриваемых возрастных групп. При этом у дошкольников 5-6 лет и подростков 13-14 лет наиболее значительное увеличение темпов прироста (p<0,05-0,001) изучаемых переменных отмечается под влиянием нагрузок продолжительностью 90-120 мин.

Возрастание объема нагрузки до 180-240 мин сопровождается либо снижением темпов прироста показателей ФС, либо тенденцией уменьшения их абсолютной величины. У школьников 7-8 и 9-10 лет повышение недельного объема нагрузки во всем рассматриваемом нами диапазоне сопряжено с более равномерным нарастанием темпов позитивных изменений ФС;

- при 3 и 6 занятиях в неделю в большинстве случаев не выявлено преимуществ большей периодичности тренировок. У групп школьников 7-8, 9-10, 13-14 лет, отличающихся периодичностью занятий, но выполняющих один и тот же недельный объем нагрузки высокой интенсивности, происходили сходные изменения ФС в изучаемых экспериментальных ситуациях;

- последовательное повышение величины нагрузки не приводит к пропорциональному улучшению ФС при напряженной интеллектуальной деятельности (рис. 8). Диапазон эффективной величины нагрузки отличается в разные возрастные периоды. В возрасте 7-8 и 9-10 лет он шире, чем в 5-6 и 13-14 лет. Очевидно, в периоды, характеризующиеся существенными изменениями в организации функциональных систем и усилением процессов дифференцировки, границы оптимальной величины нагрузки меньше, чем в периоды количественных изменений физиологических функций.

Результаты этой серии исследований дают основание утверждать, что наиболее значительные изменения ФС при напряженной интеллектуальной деятельности происходят в процессе долговременной адаптации к тренирующим нагрузкам относительно небольшой величины. При этом по отношению к различным показателям ФС можно выделить область слабых, оптимальных и предельных по величине нагрузок. Эти сведения хорошо согласуются с мнением о том, что зависимость «доза-эффект», определяющая соотношение между величиной нагрузки, с одной стороны, приростами функциональных возможностей организма (Н.И. Волков, 1986, 2000), состоянием здоровья лиц зрелого возраста (R.R. Pate et al., 1995) и детей (А.Г. Сухарев, 1991) - с другой, имеет нелинейный характер.

Представляют интерес данные о специфике воздействия на ФС детей равных по величине нагрузки двигательных режимов различной метаболической направленности. В процессе изучения долговременной адаптации к мышечной деятельности показано, что программы занятий, основанные на комплексном применении нагрузок аэробного и анаэробного характера, оказывают выраженное (p<0,05-0,001) положительное воздействие на ФС занимающихся.

Рис. 8. Изменения прироста интегральных показателей ФС детей при различной недельной величине физической нагрузки (долговременная адаптация)

Примечание: ОФС - общее функциональное состояние; ВО - вегетативное обеспечение; ЭД - эффективность деятельности; ФР - физическая работоспособность.

Вместе с тем у детей 5-6 лет и подростков 13-14 лет изоморфные программы, базирующиеся на преимущественном использовании упражнений анаэробного характера, в большей степени, чем программы, основанные на применении комплексов аэробной направленности, способствуют снижению активированности в состоянии покоя и улучшению психофизиологических изменений ФС при выполнении умственной работы в индивидуально оптимальном и максимальном темпе, повышению физической работоспособности и подготовленности, снижению заболеваемости. В свою очередь комплексы высокоинтенсивных упражнений преимущественно аэробного характера оказались более эффективными в занятиях со школьниками 7-8 и 9-10 лет (рис. 9).

Рис. 9. Прирост (в %) интегральных показателей ФС детей под влиянием физических нагрузок различной направленности (долговременная адаптация)

Примечание: ОФС - общее функциональное состояние; ВО - вегетативное обеспечение; ЭД - эффективность деятельности; ФР - физическая работоспособность; А - аэробные возможности; АН - анаэробные возможности.

Применительно к показателям, характеризующим физическую работоспособность и подготовленность детей, необходимо отметить, что их изменения, в отличие от сдвигов ФС при умственной работе, существенно зависели от преобладающей метаболической направленности используемых комплексов упражнений.

Одинаковые по продолжительности и периодичности занятий высокоинтенсивные программы аэробной направленности оказывали более существенное воздействие на работоспособность занимающихся в зонах большой и умеренной мощности, тогда как комплексы упражнений преимущественно анаэробного характера в большей степени способствовали развитию физических способностей, проявляемых в зонах максимальной и субмаксимальной мощности.

При этом важно отметить, что изоморфные комплексы упражнений преимущественно аэробного характера, так же как, и комплексы анаэробной направленности, вызывали значительное (p<0,05-0,001) улучшение всех компонентов работоспособности и подготовленности.

Оценивая адаптационные изменения физической работоспособности и подготовленности в возрастном аспекте, можно констатировать, что в 5-6 и 13-14 лет программы, базирующиеся на преимущественном использовании упражнений анаэробного характера, оказывали более существенное влияние на показатели анаэробной и аэробной работоспособности, чем в 7-8 и 9-10 лет, и, наоборот, комплексы упражнений аэробного характера в 7-8 и 9-10 лет вызывали более заметные изменения анаэробных алактатных, анаэробных гликолитических и аэробных компонентов работоспособности, чем в 5-6 и 13-14 лет.

Можно полагать, что выраженность адаптационных изменений ФС определяется скоростью и направленностью процессов роста и развития на различных этапах онтогенеза.

По-видимому, в периоды качественных изменений в формировании основных физиологических систем (Д.А. Фарбер и др., 2000, 2007; М.М. Безруких и др., 2003) и перестроек энергетического обмена (В.Д. Сонькин, 2000, 2007; И.А. Корниенко и др., 2005) тренировочное воздействие в виде комплексов упражнений преимущественно анаэробного характера является наиболее желательным, тогда как в периоды постепенного морфофункционального созревания организма наиболее целесообразно применять комплексы упражнений аэробного характера. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется тогда, когда скачкообразные изменения морфофункционального развития совпадают по времени с резким преобразованием социальных условий.

Влияние регулируемых параметров физической нагрузки на функциональное состояние детей в процессе долговременной адаптации к мышечной деятельности. Для оценки силы влияния мышечной деятельности (см. табл. 1) на различные аспекты ФС был использован дисперсионный анализ, который свидетельствует о том, что сдвиги изучаемых показателей существенно (p<0,05-0,001) зависят от рассматриваемых параметров нагрузки.

Их влияние на ФС неодинаково в различные возрастные периоды. Об этом свидетельствуют значения критерия Н.А. Плохинского (h_х²), находящиеся у детей 5-6 лет в диапазоне от 4 до 52 %, 7-8 лет - от 4 до 42 %, 9-10 лет - от 11 до 42 %, 13-14 лет - от 10 до 46 %.

Результаты данной серии исследований представлены на рис. 10. Видно, что по воздействию на изучаемые признаки величина нагрузки превосходит влияние факторов кратности, продолжительности отдельного занятия, недельного объема, интенсивности и направленности.

Данные многофакторного дисперсионного анализа указывают на то, что от 8 до 52 % общего варьирования приростов показателей ФС зависят от недельной величины нагрузки. Следует отметить, что во всех исследуемых возрастных группах вторым фактором, определяющим динамику ФС при напряженной интеллектуальной деятельности, является интенсивность нагрузки.

Ранг других характеристик нагрузки на различных этапах онтогенеза меняется (см. рис. 10). Суммарное воздействие регулируемых факторов нагрузки на ФС детей характеризуется определенной возрастной спецификой.

На основе учета количества переменных, на которые эти факторы оказывают влияние (p<0,05-0,001), возрастные группы занимающихся разместились в следующей последовательности: 13-14 лет; 5-6 лет; 7-8 лет, и, наконец, 9-10 лет.

Рис. 10. Значимое влияние параметров физической нагрузки на показатели ФС детей (долговременная адаптация)

Примечание: цифрами обозначено количество показателей, на которые рассматриваемый фактор оказал достоверное (p<0,05-0,001) влияние.

Приведенные в данном разделе материалы дают основание сделать заключение о том, что при использовании средств физической подготовки с целью оптимизации ФС в условиях напряженной интеллектуальной деятельности, прежде всего, необходимо ориентироваться на недельную величину физической нагрузки.

Совокупность всех полученных и проанализированных данных позволяет рассмотреть некоторые общие вопросы долговременной адаптации организма к мышечной деятельности в процессе индивидуального развития.

Ключевым моментом обсуждаемой проблемы является то, что физиологические и психологические механизмы адаптационного процесса реализуются на фоне постепенного и гетерохронного развития различных звеньев регуляторной системы мозга и значительных преобразований энергетического обмена, определяющих возрастные особенности выполнения различных видов деятельности.

Физическая нагрузка формирует специфические и неспецифические изменения физиологических компонентов адаптации детей. При этом величина нагрузки служит количественной мерой, отражающей силу ее воздействия на организм, а направленность - специфичность тренировочных эффектов у детей и подростков.

Улучшение ФС в условиях напряженной интеллектуальной деятельности под влиянием физических нагрузок относится к проявлениям неспецифической перекрестной адаптации организма. Неспецифическими являются также изменения аэробных способностей, наблюдаемые под воздействием анаэробных нагрузок, и анаэробных компонентов работоспособности при систематическом выполнении нагрузок преимущественно аэробного характера.

Установлены два вида специфических адаптационных эффектов. Это эффекты в отношении преимущественной направленности нагрузки и эффекты, обусловленные возрастными особенностями развития.

Специфические тренировочные кумулятивные эффекты первого вида проявляются во всех возрастных группах и характеризуются тем, что наибольшие приросты аэробных показателей физической работоспособности и подготовленности происходят под влиянием аэробных нагрузок, а анаэробных - под влиянием мышечной работы анаэробной направленности.

Специфичность адаптационных эффектов физических нагрузок, наблюдаемая у детей различного возраста, проявляется в том, что в периоды постепенного морфофункционального развития диапазон эффективной величины нагрузки расширяется, а наиболее результативными являются нагрузки преимущественно аэробной направленности, тогда как в периоды качественных преобразований в деятельности важнейших физиологических систем диапазон эффективной величины нагрузки сужается, а наибольший эффект дает применение нагрузок преимущественно анаэробной направленности.

Следовательно, в целях оптимизации различных компонентов ФС детей одного возраста средствами физического воспитания необходимо использовать разные соотношения анализируемых характеристик физической нагрузки.

Для обеспечения выраженного неспецифического адаптационного эффекта в условиях напряженной интеллектуальной деятельности целесообразно, прежде всего, обеспечить адекватную недельную величину физической нагрузки, а для усиления специфических компонентов адаптации к мышечной деятельности, необходимо ориентироваться на преимущественную направленность нагрузки.

Оптимизация функционального состояния тревожных школьников на основе комплексного использования физических упражнений и приемов регуляции психологического стресса. На начальных этапах систематического обучения в школе, когда происходящие одновременно значительные изменения ключевых механизмов организации высших психических функций, систем вегетативного обеспечения и обмена веществ сочетаются с резкой сменой социальных условий, особую значимость приобретают контроль и коррекция ФС тревожных детей.

Применение в целях оптимизации ФС тревожных детей 6-8 лет дополнительных занятий, включающих нагрузки преимущественно аэробной направленности, релаксационный тренинг, дыхательные упражнения, обладающие успокаивающим действием, и функциональную музыку, наиболее эффективно снижает избыточный уровень активации ЦНС.

Это приводит к повышению продуктивности напряженной интеллектуальной деятельности и уменьшению ее физиологической цены, улучшению физической работоспособности, по сравнению с избирательным использованием представленных выше средств управления ФС.

Данное заключение хорошо иллюстрируется изменениями приростов интегральных параметров ФС (рис. 11).

Рис. 11. Приросты интегральных показателей ФС тревожных детей 6-8 лет.

Примечание: ФН - физическая нагрузка; ПРФС - приемы регуляции ФС. Значения сдвигов ЭД уменьшены на порядок, остальные обозначения см. рис. 8. Достоверность различий по сравнению с контрольной группой: * - p< 0,05; ** - p< 0,01.

Применение только физических нагрузок оказывает хотя и менее выраженное, но сходное с использованием описанного комплекса средств и методов оптимизации ФС воздействие на физиологический статус тревожных детей 6-8 лет.

Влияние других приемов профилактики психической напряженности для долговременной оптимизации ФС в этот возрастной период является менее значимым.

По-видимому, они играют важную, но все же вспомогательную роль. Особенности влияния различных приемов регуляции ФС на организм тревожных детей младшего школьного возраста в значительной степени обусловлены незрелостью фронто-таламической регуляторной системы (Р.И. Мачинская, 2007) и спецификой функциональной организации лимбических структур мозга (П.В. Симонов, 1987).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ